風(fēng)沙兩相流理論及其應(yīng)用

前言

　　有關(guān)荒漠化或沙漠化的話題早已不再陌生。然而，造成這類全球關(guān)注的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的根源是什么？荒漠化問(wèn)題與風(fēng)沙過(guò)程及人類活動(dòng)之間有什么關(guān)系？如何科學(xué)地描述風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)機(jī)理？如何精確地獲得關(guān)于自然或人為要素的量化信息？這些都是當(dāng)前重要的科學(xué)問(wèn)題?！　★L(fēng)沙兩相流運(yùn)動(dòng)的研究具有重要意義。風(fēng)沙兩相流的研究方法通常有野外觀測(cè)、風(fēng)洞模擬和數(shù)值模擬等。雖然從19世紀(jì)中葉就已開(kāi)始對(duì)風(fēng)力作用規(guī)律有所認(rèn)識(shí)，但是風(fēng)沙兩相流研究的真正進(jìn)展始于20世紀(jì)30年代Bagnold的系統(tǒng)研究。此后，隨著多相流理論的發(fā)展和先進(jìn)測(cè)量手段的出現(xiàn)，風(fēng)沙兩相流理論取得了迅速發(fā)展，并已成為整個(gè)風(fēng)沙學(xué)科研究的重要基礎(chǔ)。另一方面，風(fēng)沙兩相流研究在精密測(cè)量方面仍然存在困難，即使是已取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，往往也因測(cè)量?jī)x器的規(guī)范性差或?qū)嶒?yàn)條件存在差異，各家實(shí)驗(yàn)資料由于缺乏可比性而難以為風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)理論的建立提供足夠的量化信息，兩相流理論研究也因缺乏精確實(shí)驗(yàn)資料的驗(yàn)證而受到限制?！　∽⒁獾浇陙?lái)國(guó)內(nèi)外相鄰學(xué)科在多相流理論研究方面取得的最新進(jìn)展，同時(shí)注意到目前在風(fēng)沙兩相流實(shí)驗(yàn)研究的不足之處，作者在國(guó)家杰出青年基金（批準(zhǔn)號(hào)：49625101）等的支持下擬定了系統(tǒng)開(kāi)展風(fēng)沙兩相流風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究的計(jì)劃，并于1998年在中國(guó)科學(xué)院沙坡頭沙漠科學(xué)試驗(yàn)研究站野外風(fēng)洞進(jìn)行了系列實(shí)驗(yàn)，獲得了豐富的實(shí)驗(yàn)資料。在實(shí)驗(yàn)和廣泛收集國(guó)內(nèi)外學(xué)者實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上，作者利用多年來(lái)從事多相流理論研究的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)從理論上對(duì)風(fēng)沙兩相流基本問(wèn)題進(jìn)行了較為深入的研究。這方面的研究歷時(shí)8年，先后有20余人參加，其間為了獲得精密的資料和等待對(duì)理論的嚴(yán)格驗(yàn)證，多次放棄了“快出成果”的機(jī)會(huì)。作者感謝國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和科學(xué)出版社相關(guān)同志和專家的耐心和寬容，因?yàn)槲覀兩钪谏鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的今天，能夠靜心等待別人的“慢工細(xì)活”是多么不易。令作者欣慰的是書(shū)中的一些頗為厚實(shí)的重要成果在國(guó)際雜志上發(fā)表以后深受同行的肯定，我們也在這實(shí)際上并不漫長(zhǎng)的過(guò)程中得到了磨練。

內(nèi)容概要

　　《風(fēng)沙兩相流理論及其應(yīng)用(精)》是關(guān)于風(fēng)沙兩相流基本理論及其應(yīng)用研究的專著。書(shū)中論述了沙粒在風(fēng)力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，包括沙粒的運(yùn)動(dòng)和輸移特性，沙紋和沙丘的形成發(fā)育及其分布規(guī)律，探討了預(yù)測(cè)和模擬地表形態(tài)變化的方法，提出了量化沙漠化過(guò)程與人類活動(dòng)之間關(guān)系的途徑?！讹L(fēng)沙兩相流理論及其應(yīng)用(精)》不僅通過(guò)國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)系統(tǒng)地介紹了本領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，而且通過(guò)對(duì)風(fēng)沙兩相流運(yùn)動(dòng)機(jī)理的深入分析有效地展示了理論與應(yīng)用結(jié)合的前景?！讹L(fēng)沙兩相流理論及其應(yīng)用(精)》內(nèi)容新穎，資料豐富，概念清晰，敘述簡(jiǎn)明。尤其是附錄中給出的一整套精密測(cè)量資料對(duì)同行今后開(kāi)展相關(guān)研究提供了很大的方便，在一定程度上可以幫助克服理論驗(yàn)證方面經(jīng)常遇到的困難?！讹L(fēng)沙兩相流理論及其應(yīng)用(精)》可供從事地理、農(nóng)林、水利、資源和環(huán)境科學(xué)類專業(yè)的科技人員及高等院校相關(guān)專業(yè)的師生參考。

書(shū)籍目錄

前言緒論0.1 風(fēng)沙兩相流研究的重要意義0.2 風(fēng)沙兩相流研究的發(fā)展簡(jiǎn)史0.3 風(fēng)沙兩相流研究的主要方法0.4 風(fēng)沙兩相流研究的基本問(wèn)題參考文獻(xiàn)第一章 沙粒運(yùn)動(dòng)的基本特性1.1 沙粒的主要運(yùn)動(dòng)形式1.2 沙粒的臨界起動(dòng)特征1.2.1 沙粒的流體臨界起動(dòng)1.2.2 沙粒的沖擊臨界起動(dòng)1.3 沙粒的主要運(yùn)動(dòng)特性1.3.1 沙粒的受力分析1.3.2 各力對(duì)沙粒運(yùn)動(dòng)的影響1.3.3 沙粒運(yùn)動(dòng)的軌跡1.3.4 躍移沙粒速度和加速度1.3.5 影響沙粒運(yùn)動(dòng)的主要因素1.4 沙粒運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特征1.4.1 沙粒與床面的碰撞1.4.2 相對(duì)躍高和躍長(zhǎng)的分布1.4.3 起躍角、降落角及起躍速度的分布1.4.4 沙粒粒徑的分布1.4.5 沙粒的速度分布函數(shù)參考文獻(xiàn)第二章 風(fēng)沙兩相流的運(yùn)動(dòng)特性2.1 沙粒運(yùn)動(dòng)對(duì)脈動(dòng)風(fēng)速的影響2.1.1 脈動(dòng)風(fēng)速與時(shí)均風(fēng)速的關(guān)系2.1.2 沙粒運(yùn)動(dòng)對(duì)相對(duì)脈動(dòng)風(fēng)速的影響2.1.3 沙粒運(yùn)動(dòng)對(duì)脈動(dòng)速度分布的影響2.2 沙粒運(yùn)動(dòng)對(duì)平均風(fēng)速的影響2.2.1 沙粒運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)速大小的影響2.2.2 沙粒運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)速廓線的影響2.3 風(fēng)沙兩相流運(yùn)動(dòng)的邊壁效應(yīng)2.3.1 風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)速垂線分布的分區(qū)2.3.2 風(fēng)洞邊壁對(duì)流速分布的影響2.3.3 風(fēng)洞邊壁對(duì)氣流摩阻速度的影響參考文獻(xiàn)第三章 風(fēng)沙兩相流的輸移特性3.1 輸沙通量的垂線分布3.1.1 集沙效率分析3.1.2 氣流速度和沙粒粒徑的影響3.1.3 輸沙通量分布函數(shù)3.2 輸沙通量的水平分布3.2.1 實(shí)測(cè)輸沙通量水平分布3.2.2 輸沙通量的水平分布函數(shù)3.3 輸沙率的計(jì)算方法3.3.1 現(xiàn)有輸沙率公式反映的輸沙關(guān)系3.3.2 實(shí)測(cè)資料反映的輸沙關(guān)系3.3.3 輸沙率公式的統(tǒng)一形式3.3.4 統(tǒng)一公式中參數(shù)變化規(guī)律參考文獻(xiàn)第四章 風(fēng)沙動(dòng)力與地貌形態(tài)4.1 沙紋形態(tài)特征與形成機(jī)理4.1.1 沙紋形態(tài)特征4.1.2 沙紋發(fā)育過(guò)程4.1.3 沙紋形成假說(shuō)4.1.4 沙紋形成機(jī)理4.2 沙丘形態(tài)特征與形成機(jī)制4.2.1 沙丘研究的幾個(gè)重要階段4.2.2 沙丘形態(tài)特征4.2.3 沙丘沉積特征4.2.4 沙丘形成機(jī)制4.2.5 沙丘移動(dòng)速度參考文獻(xiàn)第五章 沙漠化過(guò)程模擬預(yù)測(cè)5.1 沙紋過(guò)程的模擬預(yù)測(cè)5.1.1 沙紋模擬方法5.1.2 沙紋模擬模型5.1.3 沙紋過(guò)程特征5.2 沙丘過(guò)程的模擬預(yù)測(cè)5.2.1 單一沙丘模擬5.2.2 沙丘地的模擬5.3 沙漠化過(guò)程的動(dòng)態(tài)評(píng)估5.3.1 沙漠化土地的動(dòng)態(tài)評(píng)估方法5.3.2 評(píng)估方法的應(yīng)用5.3.3 評(píng)估方法的可行性參考文獻(xiàn)附錄 風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)資料1 實(shí)驗(yàn)概況1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)施1.3 實(shí)驗(yàn)材料1.4 觀測(cè)項(xiàng)目1.5 觀測(cè)儀器和方法2 風(fēng)速廓線測(cè)量資料2.1 A沙風(fēng)速測(cè)量結(jié)果2.2 B沙風(fēng)速測(cè)量結(jié)果3 輸沙量測(cè)量資料3.1 垂直集沙數(shù)據(jù)3.2 水平集沙數(shù)據(jù)4 集沙沙樣粒度分析資料4.1 沙樣編號(hào)4.2 I號(hào)風(fēng)沙樣分析結(jié)果4.3 I號(hào)風(fēng)沙樣分析結(jié)果4.4 I號(hào)風(fēng)沙樣分析結(jié)果4.5 Ⅳ號(hào)風(fēng)沙樣分析結(jié)果4.6 Ⅴ號(hào)風(fēng)沙樣分析結(jié)果5 風(fēng)沙流沿程變化的測(cè)量資料5.1 風(fēng)速變化5.2 集沙結(jié)果6 地表蝕積變化測(cè)量資料6.1 實(shí)驗(yàn)布置6.2 縱向蝕積6.3 橫向蝕積7 兩風(fēng)向沙紋實(shí)驗(yàn)測(cè)量資料7.1 床面布置7.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果7.3 沙紋對(duì)集沙量的影響7.4 2號(hào)斷面風(fēng)速8 風(fēng)速脈動(dòng)測(cè)量資料8.1 凈風(fēng)速度脈動(dòng)測(cè)量8.2 挾沙風(fēng)速度脈動(dòng)測(cè)量9 沙丘形態(tài)能耗測(cè)量資料9.1 床面布置9.2 測(cè)風(fēng)布置9.3 氣流測(cè)量10 風(fēng)洞邊壁效應(yīng)測(cè)量資料

章節(jié)摘錄

　　0.1 風(fēng)沙兩相流研究的重要意義　　風(fēng)力是塑造地表形態(tài)的主要?jiǎng)恿χ弧Ｈ?／3的陸地為風(fēng)沙作用強(qiáng)烈的干旱和半干旱地區(qū)，其中沙漠面積占20％。在地質(zhì)歷史時(shí)期植被尚未出現(xiàn)之前，風(fēng)沙過(guò)程遠(yuǎn)比現(xiàn)在強(qiáng)烈。在18 000年前，強(qiáng)烈的風(fēng)沙活動(dòng)曾導(dǎo)致大氣中的粉塵含量比現(xiàn)在高40倍以上。在火星、金星等其他星球上，風(fēng)沙作用也是重要的地表外營(yíng)力。　　風(fēng)力對(duì)地表的侵蝕會(huì)留下大片的戈壁，風(fēng)沙過(guò)程產(chǎn)生大量的沙粒沉積物時(shí)便形成沙漠。風(fēng)沙過(guò)程產(chǎn)生的粉塵會(huì)輸送到上千公里的高空，并可能在全球范圍內(nèi)有不同程度的降落。據(jù)估計(jì)，僅粒徑小于20μm的顆粒之全球年輸移量就超過(guò)0.5×10Rt。粉塵是土壤形成的重要物質(zhì)，是黃土形成的物源，也是深海沉積物、冰川沉積物、河流懸移物的主要組成部分。風(fēng)沙活動(dòng)受氣候變化影響顯著，因而從風(fēng)成沉積或形態(tài)可以解釋氣候變遷、大氣環(huán)流變化和風(fēng)向變化，從風(fēng)成沉積單元的變化可以了解氣候變遷、海平面變化和沙物質(zhì)供應(yīng)之間的關(guān)系[2]。風(fēng)成沉積和形態(tài)已被看作是蘊(yùn)藏古氣候信息的有效載體。風(fēng)成沙巖具有較好的滲透性質(zhì)，它是貯存碳?xì)浠衔锏牧己媒橘|(zhì)。源于沙漠地區(qū)的氣溶膠對(duì)生物生產(chǎn)力和大氣透明度及全球變化都有直接影響?！　∫燥L(fēng)沙過(guò)程為主要標(biāo)志的沙漠化已成為全球最突出的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一。世界上有100多個(gè)國(guó)家和地區(qū)存在沙漠化問(wèn)題，全球約1／6的人口生活在沙漠化地區(qū)。我國(guó)土地沙漠化面積37.96×104km2，受風(fēng)沙危害地區(qū)的面積達(dá)191×104km2，60％以上的貧困縣生活在風(fēng)沙地區(qū)。風(fēng)沙對(duì)農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、交通、水利等造成了極大危害，已有1000多萬(wàn)公頃農(nóng)田、1億多公頃草場(chǎng)遭受風(fēng)沙危害，沙害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失已愈數(shù)百億元人民幣。沙塵暴已成為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。

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