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)境問題的根源是什么？荒漠化問題與風(fēng)沙過程及人類活動之間有什么關(guān)系？如何科學(xué)地描述風(fēng)沙運動機理？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)問題。　　風(fēng)沙兩相流運動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、風(fēng)洞模擬和數(shù)值模擬等。雖然從19世紀(jì)中葉就已開始對風(fēng)力作用規(guī)律有所認(rèn)識，但是風(fēng)沙兩相流研究的真正進展始于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)展和先進測量手段的出現(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量方面仍然存在困難，即使是已取得的實驗結(jié)果，往往也因測量儀器的規(guī)范性差或?qū)嶒灄l件存在差異，各家實驗資料由于缺乏可比性而難以為風(fēng)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?nèi)外相鄰學(xué)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(fēng)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(zhǔn)號：49625101）等的支持下擬定了系統(tǒng)開展風(fēng)沙兩相流風(fēng)洞實驗研究的計劃，并于1998年在中國科學(xué)院沙坡頭沙漠科學(xué)試驗研究站野外風(fēng)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(nèi)外學(xué)者實測資料的基礎(chǔ)上，作者利用多年來從事多相流理論研究的優(yōu)勢，結(jié)合風(fēng)沙運動特點從理論上對風(fēng)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(yán)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(xué)基金委員會和科學(xué)出版社相關(guān)同志和專家的耐心和寬容，因為我們深知在社會經(jīng)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(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。書中論述了沙粒在風(fēng)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(yù)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(guān)系的途徑?！讹L(fēng)沙兩相流理論及其應(yīng)用(精)》不僅通過國內(nèi)外大量文獻系統(tǒng)地介紹了本領(lǐng)域的最新研究進展，而且通過對風(fēng)沙兩相流運動機理的深入分析有效地展示了理論與應(yīng)用結(jié)合的前景。《風(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(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證方面經(jīng)常遇到的困難。《風(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(fēng)沙兩相流的運動特性2.1 沙粒運動對脈動風(fēng)速的影響2.1.1 脈動風(fēng)速與時均風(fēng)速的關(guān)系2.1.2 沙粒運動對相對脈動風(fēng)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(fēng)速的影響2.2.1 沙粒運動對風(fēng)速大小的影響2.2.2 沙粒運動對風(fēng)速廓線的影響2.3 風(fēng)沙兩相流運動的邊壁效應(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)洞邊壁對流速分布的影響2.3.3 風(fēng)洞邊壁對氣流摩阻速度的影響參考文獻第三章 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(guān)系3.3.2 實測資料反映的輸沙關(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)律參考文獻第四章 風(fēng)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(yù)測5.1 沙紋過程的模擬預(yù)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(yù)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(yīng)用5.3.3 評估方法的可行性參考文獻附錄 風(fēng)沙運動風(fēng)洞實驗資料1 實驗概況1.1 實驗?zāi)康?.2 實驗設(shè)施1.3 實驗材料1.4 觀測項目1.5 觀測儀器和方法2 風(fēng)速廓線測量資料2.1 A沙風(fēng)速測量結(jié)果2.2 B沙風(fēng)速測量結(jié)果3 輸沙量測量資料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4.2 I號風(fēng)沙樣分析結(jié)果4.3 I號風(fēng)沙樣分析結(jié)果4.4 I號風(fēng)沙樣分析結(jié)果4.5 Ⅳ號風(fēng)沙樣分析結(jié)果4.6 Ⅴ號風(fēng)沙樣分析結(jié)果5 風(fēng)沙流沿程變化的測量資料5.1 風(fēng)速變化5.2 集沙結(jié)果6 地表蝕積變化測量資料6.1 實驗布置6.2 縱向蝕積6.3 橫向蝕積7 兩風(fēng)向沙紋實驗測量資料7.1 床面布置7.2 實驗結(jié)果7.3 沙紋對集沙量的影響7.4 2號斷面風(fēng)速8 風(fēng)速脈動測量資料8.1 凈風(fēng)速度脈動測量8.2 挾沙風(fēng)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(fēng)布置9.3 氣流測量10 風(fēng)洞邊壁效應(yīng)測量資料

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)的主要動力之一。全球1／3的陸地為風(fēng)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(zhì)歷史時期植被尚未出現(xiàn)之前，風(fēng)沙過程遠比現(xiàn)在強烈。在18 000年前，強烈的風(fēng)沙活動曾導(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力。　　風(fēng)力對地表的侵蝕會留下大片的戈壁，風(fēng)沙過程產(chǎn)生大量的沙粒沉積物時便形成沙漠。風(fēng)沙過程產(chǎn)生的粉塵會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，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(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)，它是貯存碳氫化合物的良好介質(zhì)。源于沙漠地區(qū)的氣溶膠對生物生產(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(fēng)沙危害地區(qū)的面積達191×104km2，60％以上的貧困縣生活在風(fēng)沙地區(qū)。風(fēng)沙對農(nóng)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(nóng)田、1億多公頃草場遭受風(fēng)沙危害，沙害造成的直接經(jīng)濟損失已愈數(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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