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內容簡介

《可移動式風蝕風洞及其輔助係統設計原理與應用》是以南開大學NK-1可移動式風蝕風洞及其輔助係統設計為核心，詳細研究瞭風蝕風洞及其輔助係統的設計?集沙儀?排沙器和原狀取土器。內容包括國內外可移動式風蝕風洞概述；可移動式風蝕風洞設計的理論基礎；可移動式風蝕風洞氣動結構設計；大氣邊界層實驗模擬方法；可移動式風蝕風洞輔助係統及測量；土壤風蝕物采集器———集沙儀；排沙器和原狀取土器。

目錄

目 錄
第1章 國內外可移動式風蝕風洞概述1
1 1 可移動式風蝕風洞的産生?作用與特點1
1 1 1 土壤風蝕研究與風蝕風洞1
1 1 2 可移動式風蝕風洞的地位與作用5
1 1 3 可移動式風蝕風洞的類型及主要特點6
1 2 可移動式風蝕風洞研究進展8
1 2 1 國外可移動式風洞研究進展8
1 2 2 國內移動式風蝕風洞研究進展13
參考文獻22
第2章 可移動式風蝕風洞設計的理論基礎28
2 1 理論基礎概述28
2 1 1 相似理論28
2 1 2 誤差理論31
2 1 3 異常值檢驗與剔除33
2 2 可移動式風蝕風洞設計的動力學相似準數39
2 2 1 大氣邊界層湍流運動方程與相似準數39
2 2 2 流動雷諾數 (Reynoldsnumber )42
2 2 3 羅斯貝數 (Rossbynumber )42
2 2 4 弗勞德數 (Froudenumber )43
2 2 5 普蘭特數 (Prandtlnumber )43
2 2 6 皮剋萊數 (Pecletnumber )44
2 3 含沙氣流流場44
2 3 1 顆粒起動與受力分析44
2 3 2 運動方程47
2 3 3 含沙流場動力學相似準則48
2 4 平均風速剖麵模擬50
2 4 1 對數律錶示法50
2 4 2 指數律錶示法53
2 5 大氣邊界層湍流特性模擬55
2 5 1 湍流強度模擬55
2 5 2 脈動風功率譜模擬56
2 5 3 湍流積分尺度模擬 57
2 5 4 靜壓梯度模擬58
參考文獻58
第3章 可移動式風蝕風洞氣動結構設計63
3 1 可移動式風蝕風洞洞體設計63
3 1 1 風蝕風洞洞體氣動方案與結構設計63
3 1 2 風蝕風洞洞體氣動結構介紹65
3 1 3 實驗段 (workingsection )設計65
3 1 4 尾部擴散段 (diffusingsection )設計71
3 1 5 收縮段 (contractionsection )設計71
3 1 6 轉角段 (turningsection )設計74
3 1 7 穩定段 (stabilitysection )設計76
3 1 8 過渡段 (transitionsection )設計78
3 2 風洞能量比估算78
3 2 1 能量比定義78
3 2 2 實驗段能量損失估算79
3 2 3 尾部擴散段能量損失估算81
3 2 4 收縮段能量損失估算82
3 2 5 穩定段能量損失估算83
3 2 6 轉角段能量損失估算85
3 2 7 過渡段能量損失估算87
3 2 8 進氣段能量損失估算87
3 2 9 動力段能量損失估算88
3 2 10 風機選擇89
3 3 動力段設計90
3 3 1 風扇設計90
3 3 2 導流片設計98
3 3 3 整流罩設計102
3 3 4 風扇效率校核104
參考文獻105
第4章 大氣邊界層實驗模擬方法107
4 1 模擬方法108
4 1 1 被動模擬方法109
4 1 2 主動模擬方法113
4 2 CFD數值模擬技術115
4 2 1 大氣邊界層控製方程116
4 2 2 湍流的數值模擬方法117
4 2 3 CFD軟件求解過程120
4 2 4 多孔介質模型 121
4 3 模擬實例1— ——NK￣1可移動式風蝕風洞模擬裝置122
4 3 1 模型的選取123
4 3 2 劃分計算網格123
4 3 3 引入多孔介質模型124
4 3 4 參數設置125
4 3 5 多孔介質模型模擬結果126
4 3 6 引入棒柵驗證127
4 3 7 棒柵-粗糙元模擬裝置對流場特性的影響129
4 3 8 室內風洞實驗研究137
4 4 模擬實例2— ——OFDY-1 2型風洞大氣邊界層模擬裝置140
4 4 1 平行棒柵與粗糙元的設計140
4 4 2 具體調節和布置方法140
4 4 3 風洞風速廓綫調節結果與結論141
參考文獻143
第5章 可移動式風蝕風洞輔助係統及測量147
5 1 數據采集與控製係統147
5 1 1 概述147
5 1 2 係統硬件模塊148
5 1 3 係統軟件模塊151
5 2 風速測試係統152
5 2 1 風速測量方法概述152
5 2 2 單點風速測量方法154
5 2 3 平均風速剖麵測量儀156
5 2 4 測試係統組成157
5 3 接地與保護158
5 4 空風洞流場動力學性能檢測159
5 4 1 實驗段流場性能檢測159
5 4 2 空風洞壁麵邊界層檢測175
5 4 3 風洞能量比檢測182
參考文獻183
第6章 土壤風蝕物采集器 ———集沙儀184
6 1 集沙儀簡介184
6 1 1 國外集沙儀簡介184
6 1 2 國內集沙儀簡介193
6 2 集沙儀設計實例200
6 2 1 集沙儀設計原則200
6 2 2 南開大學集沙儀設計實例201
6 2 3 內濛古農業大學鏇風分離式集沙儀設計實例 209
參考文獻212
第7章 排沙器和原狀取土器215
7 1 排沙器研究現狀及設計215
7 1 1 排沙器的研究現狀215
7 1 2 內濛古農業大學排沙器215
7 1 3 “噴沙 ”模擬裝置217
7 2 原狀取土器219
7 2 1 原狀取土器的研究現狀219
7 2 2 內濛古農業大學的原狀取土器219
參考文獻 223

精彩書摘

第1章 國內外可移動式風蝕風洞概述
風蝕風洞是伴隨著土壤風蝕問題的研究而産生和發展起來的.土壤風蝕所産生的顆粒物會造成源地?途徑地和匯地大氣顆粒物汙染加劇.並引發一係列環境與健康問題.探求風蝕機製及其控製途徑.成為世界各國土壤保持和大氣顆粒物汙染防治領域的科學傢和研究者共同努力的方嚮.環境風洞及可移動式風蝕風洞的開發與應用.極大地加速瞭土壤風蝕問題研究的進程.而可移動式風蝕風洞(movablewinderosiontunnel)的齣現及其應用.在土壤風蝕影響因子?風蝕預報模型?抗風蝕機製?風蝕控製技術?風蝕控製管理措施?土壤風蝕危害等係統研究中發揮瞭極其重要的作用.已成為土壤風蝕成因以及管理與控製領域不可或缺的研究工具.本章簡要介紹可移動式風蝕風洞的産生?作用與特點.分類介紹國內外可移動式風蝕風洞的發展與各自的特點和應用狀況.歸納總結瞭可移動式風蝕風洞設計的基本準則和一般要求.
1..1 可移動式風蝕風洞的産生?作用與特點
1..1..1 土壤風蝕研究與風蝕風洞
1..1..1..1 土壤風蝕的定義
科學的風蝕(winderosion)概念以侵蝕(erosion)概念為基礎.erosion一詞源於拉丁語erodere.原意為吃掉?挖掉.1894年.Penck將erosion引入地質學中.首次用以描述水流作用下地錶固體物質的流失和溝壑?漕榖的形成.與erosion意義相近的.用於描述侵蝕現象的詞還有ablation (源於拉丁語ablatio.意為帶走)?corrosion (源於拉丁語.意為啃成碎片)?abrasion (源於拉丁語abradere.意為颳掉 )和deflation等.史培軍等(1999)認為土壤侵蝕過程涉及侵蝕動力與下墊麵相互作用過程.侵蝕是在各種外在物質 (即外在地貌因子 )作用下.土壤層或其下基岩 (即土壤圈和岩石圈 )的破損.依據侵蝕發生的水動力?風動力?溫差?重力等作用力的不同.土壤侵蝕過程可劃分為水蝕過程?風蝕過程?凍融侵蝕過程?重力侵蝕過程.
硃顯謨(1956)提齣.風蝕是風力作用對土壤圈或岩石圈進行損害和破壞.風蝕過程就是風力作用引起地錶物質脫離地錶並被搬運和再堆積的過程.董治寶和李振山(1995)指齣.風蝕是侵蝕與塑造地球景觀的基本地貌過程之一.也是發生於乾旱?半乾旱以及部分半濕潤地區土地沙漠化的關鍵環節.因此在自然狀態下.風蝕與水力侵蝕?重力侵蝕和凍融侵蝕等各類土壤侵蝕一樣.隻是自然力作用下的某種現象.Chepil和Milne (1939)研究認為.對於疏鬆乾燥的細顆粒土壤?缺乏植被覆蓋的裸露地錶?開闊平坦的原野等區域.容易發生風蝕.戚隆溪和王伯懿(1996)指齣.風蝕是指鬆散的地錶土壤顆粒被風吹起和輸運的吹蝕過程.以及地錶物質受到風吹起顆粒撞擊而破碎的磨蝕過程.吹蝕過程主要涉及流體動力學過程.或者更嚴格地講是氣固兩相流動過程.風蝕主要發生在乾旱與半乾旱氣候區.一般年降雨量在250 ~300mm範圍內的地區易受風蝕影響.土壤侵蝕分類分級標準(SL190—2007)對風蝕的定義為 :風蝕即風力侵蝕.指在氣流的衝擊作用下.土粒?沙粒或岩石碎屑脫離地錶.被搬運和堆積的過程.
土壤風蝕是土壤侵蝕的一種類型..風沙物理學 .(丁國棟.2010)對土壤風蝕的描述是 :土壤風蝕是指土壤或土壤母質在一定風力的作用下.土壤結構遭受破壞以及土壤顆粒發生位移的過程.Shao (2000)?董誌寶等(1995)等認為.土壤風蝕可以理解為 :土壤顆粒受風力作用産生位移.這種位移包括土壤顆粒的夾帶起塵?空間運移?重力沉降與沉積或地錶土壤顆粒的蠕移?運移?沉積和再堆積過程.
上述這些過程錶現為地錶顆粒的磨蝕過程.實質上是錶層土壤中細顆粒物和營養物質的吹蝕?搬運與沉積的過程.所産生的直接性生態後果錶現為 :造成錶土層大量富含營養元素的細微顆粒的損失.緻使農田錶土層粗化?土壤肥力下降和土地生産力衰退.是導緻土地荒漠化的重要原因.土壤風蝕過程易産生大量的氣溶膠顆粒.這些顆粒懸浮於大氣中.會造成所在地區乃至周邊地區嚴重的環境汙染.是沙塵?揚沙等天氣現象的重要來源.
1..1..1..2 土壤風蝕問題的研究與發展
自然界風力侵蝕的錶現形式多種多樣.如各種鬼斧神工般的風蝕地貌以及黃土高原的形成等.構成瞭自然環境的一部分.人類既無可能?也無必要對這些正常的自然過程強加改變.鬍雲鋒等(2003)將這種自然狀態下的風力侵蝕稱為 “容許侵蝕”.由於人類的高強度?不閤理活動.風力侵蝕發生?發展的強度及影響範圍逐漸增強?增大.乃至引發環境災害.危及人類正常的生産?生活環境甚至於生命安全.例如.20世紀30年代中葉至40年代.美國中西部大平原?加拿大西部大草原以及蘇聯中亞地區災難性的 “黑風暴 ”事件.據估計.這一時期美國大平原每年被侵蝕的土質重量與進入大氣中的塵埃重量分彆為2..44億t和0..77億t.每年來自撒哈拉地區的礦物質塵埃達2..60億t.每年風從大地錶麵上搬運的粒徑小於20μm的細沙量超過5億t.探求風蝕機製及其控製途徑成為世界各國土壤保持與顆粒物汙染防治領域的科學傢共同努力的方嚮.
正是這一時期嚴重的沙塵暴引起瞭科學界對土壤風蝕危害的空前重視.極大地刺激瞭風蝕問題研究的縱深發展.Bagnold (1941)深入利比亞沙漠進行觀測.積纍瞭豐富的現場資料.同時利用室內風沙環境風洞進行相關研究.獲得瞭廣泛的實驗資料.以這些資料為基礎.創立瞭風沙物理學.建立瞭 .風沙和荒漠沙丘物理學 .的理論體係.他將風-沙定性關係問題簡化為可以定量測量的空氣動力學問題來研究.通過風沙環境風洞(windtunnelofblownsandenvironment)實驗和野外觀測來確定引起沙粒移動的力學機製.全麵研究瞭穩定地錶和被侵蝕錶麵上空的風速剖麵?沙粒移動的起動風速?沙粒的躍移與蠕移等土壤風蝕問題.為近代風蝕體係的認識與研究奠定瞭堅實的科學基礎.遵循Bagnold的理論體係.Chepil (1945)及其閤作者對耕地的風蝕問題進行瞭長達25年的係統研究.涉及風蝕的影響因子以及沙粒的蠕移?輸運和沉積機製.發錶瞭具有重要學術價值的研究論文.討論瞭吹蝕機製問題.分析瞭風蝕因子.確定瞭土壤可蝕性指標和氣候指標.研製瞭風蝕儀器設備.初步建立瞭風蝕研究的理論-實踐體係.被譽為現代土壤風蝕科學的開拓者.風蝕研究由此實現瞭由定性研究嚮定量研究的飛躍.可移動式風蝕風洞的雛形便在此階段産生.自1947年可移動式風蝕風洞經美國農業部土壤風蝕實驗室進一步的開發?改進與發展.在土壤風蝕影響因子的係統研究中發揮瞭極其重要的作用.20世紀60年代.Woodruff和Siddoway (1965)建立的世界上第一個通用風蝕方程(WEQ).便是基於該可移動式風蝕風洞的野外實驗數據得到的.這裏提到的風沙環境風洞是風沙研究的專用設備.用來模擬研究風對自然界地錶結構的影響.以及風和沙粒在吹蝕?搬運?堆積過程中的相互作用與相互關係.可移動式風蝕風洞特指一類尺寸小?重量輕?可拆卸?容易移至野外並在真實地錶條件下現場進行實驗的研究工具.國外學者Raupach (1990)?Nickling和Gillies (1993)?Leys和Raupach (1991)?Pietersma等(1996)在其論文中多稱之為便攜式風洞(portablewindtunnel).國內研究者硃朝雲等(1992)?吳正(2003)的相關文獻中稱為野外風蝕風洞(fieldwindtunnel).榮姣鳳(2004)?範貴生(2005)發錶的論文中稱為可移動式風蝕風洞.
當然.由於自然條件的錯綜復雜.地錶風蝕研究經曆過幾次大的發展浪潮.而每一次大的發展都更加強化和注重瞭風蝕風洞實驗研究的實際應用.
(1)國外土壤風蝕研究進展
國外土壤風蝕研究可分為4個階段 :定性描述階段?定量研究階段?風蝕方程的建立與完善階段及風蝕預報係統的建立與完善階段.
1)定性描述階段.20世紀30年代前.科學傢總結瞭對土壤風蝕認識的有關結論.包括風與土壤的相互作用?風蝕物質的損失與搬運等.認為通過深入瞭解土壤理化性質可以找齣減輕土壤風蝕的辦法.如增加土壤濕度和有機質含量?改良土壤結構?增加作物殘留物?構建防風帶等措施保護地錶.
2)定量研究階段.20世紀30年代中期.Bagnold的代錶作 .風沙和荒漠沙丘物理學 .標誌著土壤風蝕邁入瞭定量研究階段.是近代風蝕體係認識與研究的奠基石.
3)風蝕方程的建立與完善階段.20世紀30年代末至50年代.“黑風暴 ”事件成為這一時期的標誌.這一時期.美國的Chepil被譽為現代土壤風蝕科學的開拓者.風蝕動力學機製?風沙流磨蝕作用?風蝕流失量及其影響因素?土壤風蝕因子?風蝕強度等級以及土壤理化性質與土壤抗蝕性間關係等研究獲得突破.風蝕研究理論體係的建立成為風蝕定量研究飛躍發展過程的標誌.50年代中期.蘇聯雅庫波夫等通過野外觀測和風洞模擬實驗.探討瞭微地形?土壤?植被等環境條件與土壤風蝕間的關係.在防風蝕的綜閤農業措施方麵做齣瞭卓越貢獻.自此.涉及物理措施?生物措施?管理措施等農田防風蝕措施的研究得到重視與發展.土壤風蝕的研究由理論研究嚮應用研究轉變.
4)風蝕預報係統的建立與完善階段.20世紀60年代.計算機的應用使土壤風蝕研究齣現新的轉機.並得以在理論研究領域長足發展.Woodruff和Siddoway (1965)首次建立瞭田間年風蝕量的估算模型 ———WEQ.使之成為這一時期的標誌.80年代.計算機技術的迅速發展和深入滲透.美國農業部專傢組綜閤風蝕科學?數據庫?計算機技術等聯閤推進土壤風蝕預報的研究.提齣瞭修正風蝕方程(RWEQ).90年代繼續推齣瞭風蝕預報係統(WEPS).最終取代WEQ.土壤風蝕程度與環境因素密切相關.WEPS具有模擬田間條件和土壤蝕積時空變異的能力.除模擬基本的風蝕過程.還能模擬土壤風蝕隨環境條件影響變化的過程.該係統可以分彆輸齣躍移?蠕移和懸浮土壤流失量方麵的量化數據.這在土壤風蝕起塵對城市環境空氣質量的影響研究中至關重要.WEPS是迄今為止影響因素最完整?手段最先進的風蝕預報模型.是大力推進風蝕定量評價研究?風蝕防治實踐?環境規劃與管理等工作的重要技術工具.
(2)國內土壤風蝕研究概況
我國學者很早就注意到土壤風蝕問題及其引起的沙塵暴災害.但風蝕研究工作進展緩慢.20世紀50年代以前.隨著西方近代土壤侵蝕研究的不斷發展和相關科學知識的傳播.國內學者開始關注並認識土壤風蝕問題.國內土壤風蝕的研究過程大緻可以歸納為四個階段.
1)萌芽階段.1950年以前.國內研究者基於風沙物理學研究和沙漠研究.開始較詳細地對我國乾旱?半乾旱地區的農田風蝕問題進行調查.區域涉及東北?內濛古?新疆?陝北及黃河下遊洪泛平原半濕潤地區.這一階段以定性和描述性研究為主.陳渭南等(1994)認為中國土壤風蝕科學研究在這一時期處於萌芽階段.
2)定性研究階段.20世紀50 ~60年代.我國學者錢寜和林秉南?楊鬱華?梁式弘等先後翻譯齣版瞭拜格諾的 .風沙和荒漠沙丘物理學.?蘇聯茲納門斯基的 .沙地風蝕過程的實驗研究和沙堆防止問題.?雅庫波夫的 .土壤風蝕及其防止 .等專著.並翻譯瞭大量學術論文.這些專著和論文成為防沙治沙工程的重要理論指導.在此基礎上.在風蝕活動的自然條件?風蝕地形發育以及風沙運動規律?防沙措施機製等方麵開展瞭係統性研究.建立瞭一批實驗站.重點結閤大型工程建設任務開展瞭農田風蝕沙害?交通乾道風蝕沙害的防沙治沙技術實驗研究.該階段仍以宏觀調查和定性分析為主.1967年.中國科學院蘭州冰川凍土沙漠研究所建成瞭我國第一座環境風洞.開啓瞭我國風沙物理實驗研究的新紀元.風蝕研究由定性研究嚮半定量?定量研究轉變.
3)定量研究階段.20世紀70 ~90年代.土壤風蝕的風洞實驗研究迅速發展.1988年.中國科學院蘭州沙漠研究所建成第二座沙風洞 ———土壤風蝕風洞.安置於中國科學院寒區旱區環境與工程研究所沙坡頭沙漠實驗研究站.方便野外研究.這一時期.風蝕的專項研究工作相繼興起和發展.研究方法包括

前言/序言

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