【摘要】：自然界的風沙侵蝕涉及到土壤、沙塵以及其它細小粒子受風力作用而引起的離散、運輸和再次沉降的過程,它可看作是一類特殊的氣-固二相流問題。風沙侵蝕引發(fā)了土壤退化、荒漠化和沙塵暴等嚴重的環(huán)境問題。防風網(wǎng)作為一種開孔墻式結構主要用來降低風蝕揚塵對環(huán)境的危害。本文以防風網(wǎng)抑制沙粒躍移運動的微觀過程為考察對象,分別對防風網(wǎng)周圍的流場特性和躍移沙粒運動規(guī)律進行了系統(tǒng)地實驗觀測,考察了防風網(wǎng)對躍移沙粒的遮護效果。 首先,本文使用流場可視化測速(PIV)系統(tǒng),對防風網(wǎng)周圍區(qū)域的流場結構進行了可視化測量,測定了平均風速、渦量分布、湍流度、湍動能以及雷諾應力等參數(shù)的變化分布情況,詳細闡述了防風網(wǎng)對氣流強度和湍流結構的影響作用。 其次,使用高速相機拍攝了躍移沙粒穿過防風網(wǎng)過程的連續(xù)圖像,并且通過粒子追蹤測速技術(PTV)對沙粒的躍移過程進行了量化。其中,進一步改進了粒子識別技術,消除了噪音信息對運動矢量算法的影響,實現(xiàn)了躍移沙粒穿過防風網(wǎng)模型時的瞬態(tài)空間分布以及飛行速度探測。實驗獲得了躍移沙粒的平均速度、粒子濃度場、傳輸通量、降塵率以及躍移動能的分布。通過與無網(wǎng)情況對比,考察了防風網(wǎng)的對躍移風沙流傳輸結構的影響,并且提出了躍移沙粒在防風網(wǎng)附近的傳輸率服從指數(shù)衰減規(guī)律。 最后,本文建立了穿過防風網(wǎng)的躍移沙粒在背風區(qū)域的運動軌跡,獲取了網(wǎng)后粒-床碰撞過程的主要參數(shù),包括沙粒的入射速度、入射角度、動量恢復系數(shù)和能量恢復系數(shù)。通過對比分析,論述了防風網(wǎng)對風沙躍移運動的粒-床撞擊過程的影響。研究發(fā)現(xiàn),防風網(wǎng)增加了躍移沙粒與沙床表面的撞擊角度,致使沙粒的回彈動量減小,大部分躍移動能被沙床自身吸收。 研究發(fā)現(xiàn),防風網(wǎng)能夠有效地降低風沙流的躍移動能,增加躍移沙粒在網(wǎng)后粒-床撞擊過程中的能量損耗,從而減小遮護區(qū)域的風沙濃度并且抑制躍移運動的進一步發(fā)展。此外,本研究改進了風沙躍移實驗的觀測精度,完善了沙粒躍移可視化技術。本文的研究成果為理解防風網(wǎng)抑制風沙躍移發(fā)展提供了參考數(shù)據(jù),對防風網(wǎng)的抑沙工程具有重要的指導意義。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：TP391.41;X171

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本文編號：2602127