風沙兩相流理論及其應用

前言

　　有關荒漠化或沙漠化的話題早已不再陌生。然而，造成這類全球關注的生態(tài)環(huán)境問題的根源是什么？荒漠化問題與風沙過程及人類活動之間有什么關系？如何科學地描述風沙運動機理？如何精確地獲得關于自然或人為要素的量化信息？這些都是當前重要的科學問題?！　★L沙兩相流運動的研究具有重要意義。風沙兩相流的研究方法通常有野外觀測、風洞模擬和數(shù)值模擬等。雖然從19世紀中葉就已開始對風力作用規(guī)律有所認識，但是風沙兩相流研究的真正進展始于20世紀30年代Bagnold的系統(tǒng)研究。此后，隨著多相流理論的發(fā)展和先進測量手段的出現(xiàn)，風沙兩相流理論取得了迅速發(fā)展，并已成為整個風沙學科研究的重要基礎。另一方面，風沙兩相流研究在精密測量方面仍然存在困難，即使是已取得的實驗結果，往往也因測量儀器的規(guī)范性差或實驗條件存在差異，各家實驗資料由于缺乏可比性而難以為風沙運動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驗資料的驗證而受到限制?！　∽⒁獾浇陙韲鴥韧庀噜弻W科在多相流理論研究方面取得的最新進展，同時注意到目前在風沙兩相流實驗研究的不足之處，作者在國家杰出青年基金（批準號：49625101）等的支持下擬定了系統(tǒng)開展風沙兩相流風洞實驗研究的計劃，并于1998年在中國科學院沙坡頭沙漠科學試驗研究站野外風洞進行了系列實驗，獲得了豐富的實驗資料。在實驗和廣泛收集國內外學者實測資料的基礎上，作者利用多年來從事多相流理論研究的優(yōu)勢，結合風沙運動特點從理論上對風沙兩相流基本問題進行了較為深入的研究。這方面的研究歷時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理論的嚴格驗證，多次放棄了“快出成果”的機會。作者感謝國家自然科學基金委員會和科學出版社相關同志和專家的耐心和寬容，因為我們深知在社會經濟發(fā)展迅速的今天，能夠靜心等待別人的“慢工細活”是多么不易。令作者欣慰的是書中的一些頗為厚實的重要成果在國際雜志上發(fā)表以后深受同行的肯定，我們也在這實際上并不漫長的過程中得到了磨練。

內容概要

　　《風沙兩相流理論及其應用(精)》是關于風沙兩相流基本理論及其應用研究的專著。書中論述了沙粒在風力作用下的運動規(guī)律，包括沙粒的運動和輸移特性，沙紋和沙丘的形成發(fā)育及其分布規(guī)律，探討了預測和模擬地表形態(tài)變化的方法，提出了量化沙漠化過程與人類活動之間關系的途徑。《風沙兩相流理論及其應用(精)》不僅通過國內外大量文獻系統(tǒng)地介紹了本領域的最新研究進展，而且通過對風沙兩相流運動機理的深入分析有效地展示了理論與應用結合的前景?！讹L沙兩相流理論及其應用(精)》內容新穎，資料豐富，概念清晰，敘述簡明。尤其是附錄中給出的一整套精密測量資料對同行今后開展相關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證方面經常遇到的困難?！讹L沙兩相流理論及其應用(精)》可供從事地理、農林、水利、資源和環(huán)境科學類專業(yè)的科技人員及高等院校相關專業(yè)的師生參考。

書籍目錄

前言緒論0.1 風沙兩相流研究的重要意義0.2 風沙兩相流研究的發(fā)展簡史0.3 風沙兩相流研究的主要方法0.4 風沙兩相流研究的基本問題參考文獻第一章 沙粒運動的基本特性1.1 沙粒的主要運動形式1.2 沙粒的臨界起動特征1.2.1 沙粒的流體臨界起動1.2.2 沙粒的沖擊臨界起動1.3 沙粒的主要運動特性1.3.1 沙粒的受力分析1.3.2 各力對沙粒運動的影響1.3.3 沙粒運動的軌跡1.3.4 躍移沙粒速度和加速度1.3.5 影響沙粒運動的主要因素1.4 沙粒運動的統(tǒng)計特征1.4.1 沙粒與床面的碰撞1.4.2 相對躍高和躍長的分布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)參考文獻第二章 風沙兩相流的運動特性2.1 沙粒運動對脈動風速的影響2.1.1 脈動風速與時均風速的關系2.1.2 沙粒運動對相對脈動風速的影響2.1.3 沙粒運動對脈動速度分布的影響2.2 沙粒運動對平均風速的影響2.2.1 沙粒運動對風速大小的影響2.2.2 沙粒運動對風速廓線的影響2.3 風沙兩相流運動的邊壁效應2.3.1 風洞內風速垂線分布的分區(qū)2.3.2 風洞邊壁對流速分布的影響2.3.3 風洞邊壁對氣流摩阻速度的影響參考文獻第三章 風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 實測輸沙通量水平分布3.2.2 輸沙通量的水平分布函數(shù)3.3 輸沙率的計算方法3.3.1 現(xiàn)有輸沙率公式反映的輸沙關系3.3.2 實測資料反映的輸沙關系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)律參考文獻第四章 風沙動力與地貌形態(tài)4.1 沙紋形態(tài)特征與形成機理4.1.1 沙紋形態(tài)特征4.1.2 沙紋發(fā)育過程4.1.3 沙紋形成假說4.1.4 沙紋形成機理4.2 沙丘形態(tài)特征與形成機制4.2.1 沙丘研究的幾個重要階段4.2.2 沙丘形態(tài)特征4.2.3 沙丘沉積特征4.2.4 沙丘形成機制4.2.5 沙丘移動速度參考文獻第五章 沙漠化過程模擬預測5.1 沙紋過程的模擬預測5.1.1 沙紋模擬方法5.1.2 沙紋模擬模型5.1.3 沙紋過程特征5.2 沙丘過程的模擬預測5.2.1 單一沙丘模擬5.2.2 沙丘地的模擬5.3 沙漠化過程的動態(tài)評估5.3.1 沙漠化土地的動態(tài)評估方法5.3.2 評估方法的應用5.3.3 評估方法的可行性參考文獻附錄 風沙運動風洞實驗資料1 實驗概況1.1 實驗目的1.2 實驗設施1.3 實驗材料1.4 觀測項目1.5 觀測儀器和方法2 風速廓線測量資料2.1 A沙風速測量結果2.2 B沙風速測量結果3 輸沙量測量資料3.1 垂直集沙數(shù)據3.2 水平集沙數(shù)據4 集沙沙樣粒度分析資料4.1 沙樣編號4.2 I號風沙樣分析結果4.3 I號風沙樣分析結果4.4 I號風沙樣分析結果4.5 Ⅳ號風沙樣分析結果4.6 Ⅴ號風沙樣分析結果5 風沙流沿程變化的測量資料5.1 風速變化5.2 集沙結果6 地表蝕積變化測量資料6.1 實驗布置6.2 縱向蝕積6.3 橫向蝕積7 兩風向沙紋實驗測量資料7.1 床面布置7.2 實驗結果7.3 沙紋對集沙量的影響7.4 2號斷面風速8 風速脈動測量資料8.1 凈風速度脈動測量8.2 挾沙風速度脈動測量9 沙丘形態(tài)能耗測量資料9.1 床面布置9.2 測風布置9.3 氣流測量10 風洞邊壁效應測量資料

章節(jié)摘錄

　　0.1 風沙兩相流研究的重要意義　　風力是塑造地表形態(tài)的主要動力之一。全球1／3的陸地為風沙作用強烈的干旱和半干旱地區(qū)，其中沙漠面積占20％。在地質歷史時期植被尚未出現(xiàn)之前，風沙過程遠比現(xiàn)在強烈。在18 000年前，強烈的風沙活動曾導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，風沙作用也是重要的地表外營力?！　★L力對地表的侵蝕會留下大片的戈壁，風沙過程產生大量的沙粒沉積物時便形成沙漠。風沙過程產生的粉塵會輸送到上千公里的高空，并可能在全球范圍內有不同程度的降落。據估計，僅粒徑小于20μm的顆粒之全球年輸移量就超過0.5×10Rt。粉塵是土壤形成的重要物質，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。風沙活動受氣候變化影響顯著，因而從風成沉積或形態(tài)可以解釋氣候變遷、大氣環(huán)流變化和風向變化，從風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供應之間的關系[2]。風成沉積和形態(tài)已被看作是蘊藏古氣候信息的有效載體。風成沙巖具有較好的滲透性質，它是貯存碳氫化合物的良好介質。源于沙漠地區(qū)的氣溶膠對生物生產力和大氣透明度及全球變化都有直接影響?！　∫燥L沙過程為主要標志的沙漠化已成為全球最突出的生態(tài)環(huán)境問題之一。世界上有100多個國家和地區(qū)存在沙漠化問題，全球約1／6的人口生活在沙漠化地區(qū)。我國土地沙漠化面積37.96×104km2，受風沙危害地區(qū)的面積達191×104km2，60％以上的貧困縣生活在風沙地區(qū)。風沙對農業(yè)、牧業(yè)、交通、水利等造成了極大危害，已有1000多萬公頃農田、1億多公頃草場遭受風沙危害，沙害造成的直接經濟損失已愈數(shù)百億元人民幣。沙塵暴已成為嚴重的自然災害之一。

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