叢順，李正農，宮博，黃斌，趙愛國

(1. 湖南大學 建筑安全與節(jié)能教育部重點實驗室，長沙 410082；2. 中國科學院 太陽能熱利用及光伏系統(tǒng)重點實驗室，北京 100190；3. 中國科學院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，蘭州 730000)

風沙流是風與其所攜帶的沙物質組成的氣、固兩相流，是風沙物理的核心內容，也是風沙地貌、沙漠化、防沙工程的基礎理論之一，在整個風沙學科中占有極其重要的地位，因而半個多世紀以來，引起了學者們的深切關注，并取得了一定的成果[1]。但與建立完善的理論體系、廣泛而有成效地應用于生產實踐的目標還有一段距離，還有許多工作要做。與其他國家相比，中國風沙流研究稍顯薄弱，這與中國沙漠化危害程度及防沙、治沙的重要性不相稱。如何在較短時間內革新、創(chuàng)建研究手段、方法，提高研究水平，是從事風沙流研究人員面臨的問題[2]。風沙流結構研究是風沙物理學中風沙運動規(guī)律研究的重點，對沙塵暴氣候以及常態(tài)風挾沙環(huán)境下沙塵啟動機制的研究起決定性作用[3]。孫秋梅等[4]指出,風沙物理學經過半個多世紀的發(fā)展，在許多領域取得突破性進展。風洞試驗作為風沙物理學發(fā)展的技術支撐，在試驗手段和內容上都有了長足的進步，如風速廓線皮托管、風洞多路集沙儀等風洞試驗儀器的發(fā)展都有效地推動了風洞試驗的進步[5]。

風沙流研究越來越受到人們的重視，其中，風沙流通量廓線的研究起著重要作用[6-7]。董飛等[8]采用統(tǒng)計平均方法和懸浮體二相流連續(xù)介質模型方法研究了風沙流場中顆粒濃度和輸運通量沿高度的分布規(guī)律，并針對負指數(shù)分布是經驗規(guī)律這一事實，對現(xiàn)階段常用的理論模型和測算顆粒濃度的方法進行了討論，指出引進更高精度實驗測試手段的必要性。李振山等[9]找出了風沙流結構中反映風沙輸移特征規(guī)律的輸沙率參數(shù)和特征風速參數(shù)，并從它們之間的相互關系入手，結合已有的實測輸沙率資料，對形式各異的輸沙率公式進行了系統(tǒng)比對，發(fā)現(xiàn)了各家公式結構上的一致性，指出了現(xiàn)行輸沙率公式的適用性和局限性，提出了適用范圍更大、具有一般結構形式的輸沙率公式。馬小明等[10]總結了3種典型地表(流沙地表、草方格地表、戈壁地表)風沙流通量廓線研究現(xiàn)狀及存在問題，并根據(jù)研究中存在的問題，提出風沙流通量廓線研究的發(fā)展趨勢。王洪濤等[11]通過粒子圖像測速技術(PIV)，利用石英沙與天然沙相似原理，在風洞內研究了風沙流中沙顆粒濃度沿高度的分布，結果表明，3個不同軸線風速情況下，風沙流中沙粒濃度沿水平方向基本保持不變，而沿垂直方向呈指數(shù)衰減，并且，其衰減速率與風速大小關系密切。

風速廓線的研究也是風沙相互作用研究中的關鍵問題，其難點在于風沙流中沙粒的運動對它的改變[12-15]。黃寧等[16]、張克存等[17]對戈壁地表風沙流進行了風洞模擬試驗，討論分析了戈壁地表對氣流紊動的影響效應，以及對風沙流結構和風沙活動層內風速廓線產生的影響。董治寶等[18]將躍移風沙流視為一種顆粒擬流體，用顆粒流的阻力系數(shù)來表達躍移顆粒對氣流產生的阻力，建立了風沙兩相流場相互作用的數(shù)學模型，應用所建立的數(shù)學模型，結合風洞試驗得出的躍移風沙流濃度和速度分布結果，擬合出了躍移風沙流中的風速廓線，并與風洞試驗結果進行了對比。王洪濤等[19]對不同學者關于風沙流中風速廓線的研究成果進行了分析與總結，指出了已有研究的不足之處，得出了兩種比較典型的沙床面穩(wěn)定狀態(tài)下風沙流風速廓線，建立了新的風速廓線模型?？毫姷萚20]采用相位多普勒粒子分析儀測量了風沙兩相流動中沙床面上沙粒碰撞和起跳速度概率分布以及不同高度處沙粒速度概率分布。

以上研究表明，目前，現(xiàn)場監(jiān)測手段主要側重于沙顆粒輸移特性，缺少沙顆粒運動對不同高度處風速和湍流強度的具體影響程度。已進行的風沙風洞試驗沒有對實際沙漠地區(qū)的湍流特性進行模擬，結果與實際情況存在一定偏差，對風沙運動規(guī)律的描述不夠充分和準確。數(shù)值模擬計算中，邊界條件選擇、網格劃分以及兩相流模型的選取等均會直接影響到數(shù)值分析結果，因此，需要更符合實際情況的風洞試驗予以論證。為此，筆者在以往研究經驗的基礎上，專門針對特定沙漠地貌進行了現(xiàn)場勘察和實測，在后續(xù)相關的風沙風洞試驗中，以這種實際沙漠地貌風場特征為依托并進行調試。重點研究了風洞頂部落沙環(huán)境下的沙濃度、風沙流速度廓線以及湍流強度隨高度的變化情況；對比分析了凈風場和多種落沙條件下風沙流場的風速剖面與湍流強度的不同。研究結果有助于類似沙塵暴氣候條件的災害治理和西北沙漠地區(qū)鐵路沿線列車玻璃、太陽能光伏板、輸電線塔以及聚光器等工程結構的抗風沙設計。

1 試驗概況

1.1 風沙風洞簡介

早在20世紀40年代，拜格諾、切皮爾等開始利用風洞進行風沙運動和土壤風蝕的試驗研究。茲納門斯基專門設計和建造了沙風洞，開展沙地風蝕過程和沙堆防治問題的試驗研究。1967年，中國科學院地理研究所的沙風洞在蘭州建成投入使用。1988—1990年，原中國科學院蘭州沙漠研究所在沙坡頭試驗站設計建造了一座中型土壤風蝕風洞。統(tǒng)計資料發(fā)現(xiàn)，當前在風洞中進行的風沙模擬試驗研究主要包括：風沙運動試驗研究，風蝕作用試驗，風積地貌形態(tài)形成試驗研究，風沙電試驗，防沙工程模擬試驗，林帶、林網及防風沙效益的試驗研究[21]。

由于傳統(tǒng)風洞試驗室較難實現(xiàn)風沙環(huán)境的模擬，因此，開展風沙試驗需要對傳統(tǒng)風洞進行相應改造，增加供沙裝置、集沙裝置、防沙風場測試儀和沙?；厥昭b置等設備[22]。試驗研究在中國科學院電工研究所進行過風沙試驗功能改造的野外直流邊界層風洞中進行，該風洞能夠準確模擬相應比例的風沙流場，是一座單試驗段風洞，風洞洞體為全鋼結構，如圖1所示。風洞外圍全長60 m，試驗段長度20 m，斷面尺寸3 m×2.5 m，尾部收縮段收縮比為3.0。另外，為了減小試驗位置處的軸向靜壓梯度，下風向兩側壁分別設置了0.23°的擴散角，該風洞試驗段風速為1.5～30 m/s連續(xù)可調。

圖1 邊界層風洞

1.2 風沙流場建立

為了貼合實際，并能夠指導后續(xù)工程結構的抗風沙設計，在試驗研究初期建立了風沙兩相流運動的風洞試驗相似準則，利用風洞內的粘性不可壓縮兩相流體以及相互之間的等溫和各相連續(xù)運動，來模擬自然界平坦沙床表面處于動態(tài)平衡狀態(tài)下的風沙運動過程。這是因為自然界中的風沙傳輸運動是大范圍的，其形成與發(fā)展過程長期并且復雜，要進行全過程模擬比較困難，因此，需要加以簡化，進行近似。測試分析表明，該相似準則能夠準確模擬相應比例的風沙流場。

基于沙漠地區(qū)特別的地貌環(huán)境，其近地面風沙流場存在特殊性，研究組在風洞試驗前期進行了西北內陸典型沙漠地區(qū)的現(xiàn)場勘察和實測。實測地點選址于寧夏中衛(wèi)市騰格里沙漠東南部邊緣的一片空曠風沙觀測場，利用現(xiàn)場實測的方法獲取了近地面約10 m高度范圍內的風場特性，圖2(a)、(b)分別為實測風場的相對風速剖面和湍流度剖面，并在圖中將其與規(guī)范值相比較。從圖2可知，實際沙漠風場特征已偏離標準的A類地貌，由于其實際地貌特征和流場特性的差異，與開闊海面、湖面等標準A類地貌相比，沙漠地區(qū)地貌有其自身的特點。筆者以這種實際的沙漠地貌特性來指導風沙風洞試驗。

圖2 實測風場特性

基于現(xiàn)場實測結果，風洞試驗風沙流場對應的幾何縮尺比選為1∶ 10。風場調節(jié)通過改變風洞內的尖劈、橫檔布置以及粗糙元的大小、位置及密度來完成，圖3所示為試驗風洞中模擬得到的特定沙漠地區(qū)下的風速剖面和湍流度剖面，與現(xiàn)場實測結果比較，其吻合性較好，這為后續(xù)類似沙塵暴氣候條件下風沙流場特性的研究奠定了基礎。

1.3 風沙流場測試技術

為了建立類似沙塵暴氣候條件下的風沙流場，試驗開始前，對風洞進行相應的升級改造(圖4)。在風洞試驗段的前緣頂部位置增加安裝風沙流漏沙槽裝置，該裝置包括梯形漏斗、漏沙孔、漏沙管和螺旋塞，通過人工落沙來模擬與沙塵暴相類似氣候條件下的風沙試驗。在漏斗位置處，通過控制漏沙孔的數(shù)量與落沙時間來調整進入實驗段的沙量；在一定風速下，經過實驗段較長距離的擴散，風吹落沙能夠在試驗測試位置處形成質量濃度均勻的風沙工況。通過調節(jié)風洞進口處的風速和漏沙槽裝置的各種參數(shù)，可以獲得不同工況下的多種沙質量濃度梯度。

圖3 風速剖面和湍流度剖面

圖4 風沙流場落沙裝置

風沙兩相流場環(huán)境不同于常規(guī)凈風場環(huán)境，常見的三維脈動風速測試儀和熱線風速儀不適用，因此，需要專門用于風沙試驗的防沙風速廓線測試儀。試驗過程中，風速測試裝置由中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所開發(fā)研制，基于皮托管原理測試風速值的大小，沿高度方向一共有10路通道，各傳感器和對應的變送器集成安裝在圖5(a)所示的儀器內部，防止了大簇走線對風場特性的影響并起到防沙的作用。風場穩(wěn)定后，通過裸露在外的與流場方向平行的感應探針可以直接采集測試位置處的風速值，并能夠精確到0.001 m/s，但不能直接測量湍流強度，湍流強度通過各高度處采集到的風速樣本值進行計算，即采集時段內風速的標準差與平均值之比。該測試儀能夠采集到的風速高度分別為5、10、15、50、100、250、500、750、1 000、1 250 mm[23]。

風沙試驗過程中，集沙儀由中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所開發(fā)研制，其能夠獲取不同工況下風沙流場不同高度處的沙質量濃度分布情況。該梯度集沙測試儀安裝在試驗段中部，總高度1 m，沿高度方向一共設置了50路通道，每路通道的進沙口為邊長20 mm的正方形，并連通一個集沙盒，最終可收集50個梯度高度處的集沙量，如圖5(b)所示。測試完成后，用千分位(0.001 g)的電子天平對每個集沙盒內沙量分別進行稱重，通過計算后可以得到1 m高度范圍內的沙質量濃度分布規(guī)律。邊界層風洞中儀器設備的布置和安放信息見圖6。

圖5 風沙流場設備

圖6 試驗裝置布置

1.4 沙質量濃度計算

氣流在單位時間內通過單位面積所搬運的沙量，叫做風沙流的輸沙通量，簡稱為輸沙率[24-25]。輸沙率的計算式為

q(z)=Q(z)/(tA0)

(1)

式中：q(z)為高度z處的輸沙率，g/(cm2·s)；Q(z)為集沙測試儀在高度z處的集沙量，g；t為集沙時間，s；A0為集沙測試儀的每一路通道的進沙孔截面積，cm2。

沙質量濃度是在輸沙率的計算中同時考慮了風速存在的影響。對采集到的梯度集沙儀50路通道的集沙量分別進行稱重，然后，通過式(2)計算可以得到1 m高度范圍內50個高度處的沙質量濃度。沙質量濃度的計算式為

w(z)=Q(z)/(tA0VH)

(2)

式中：w(z)為高度z處的沙質量濃度，g/m3；VH為試驗參考高度處的平均風速，m/s。

2 數(shù)據(jù)處理結果

2.1 風沙流場的沙質量濃度

倪晉仁等[26]通過對風沙流進行長期的系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，風沙環(huán)境特性與風速大小有很大關系。為了能夠在風沙風洞中建立類似沙塵暴氣候條件下的風沙流場，研究不同風速下的風沙流動特性，落沙試驗總共選用了3種風洞控制風速工況，分別為10、13、16 m/s。通過在每種風洞控制風速下利用風洞頂部漏沙槽裝置改變輸沙率而控制漏沙孔的數(shù)量(0.5、1、1.5、2、2.5孔),分別模擬了實際沙塵天氣中的浮塵、揚沙、沙塵暴、強沙塵暴和特強沙塵暴5種強度類似沙塵暴環(huán)境的不同沙濃度工況。試驗用沙取自現(xiàn)場實測位置處的騰格里沙漠，平均粒徑為0.375 mm左右，試驗前用1 mm孔徑的篩子篩除雜質。經粒度分析可知其中粒徑組成范圍為0.25～0.5 mm的細沙顆粒約占75%，0.5～1 mm的粗沙顆粒約占25%，細沙顆粒與粗沙顆粒按照約3∶ 1混合構成。

對各工況下不同高度位置處收集到的沙量分別進行稱重，依次計算出對應高度處沙質量濃度，共可得到15種工況下的質量濃度分布。采用控制單一變量進行比較，分別畫出相同風速下不同落沙和相同落沙不同風速下的沙質量濃度梯度曲線，如圖7所示。試驗結果表明，沙質量濃度分布與落沙孔數(shù)量、控制風速以及高度均有關。

圖7(a)～圖7(c)表明，同一控制風速下，5種孔數(shù)落沙沙濃度隨高度的變化趨勢基本一致，且濃度隨落沙量的增大而增大。然而，風速的改變卻對沙質量濃度的垂直分布特性有明顯的影響，總體規(guī)律是隨著風速的逐步加大，下部濃度越來越小，上部濃度逐漸增大，其中，在風速16 m/s時，轉折點比較明顯，大概在0.2～0.4 m之間。在風速較小時，底部沙質量濃度最大，濃度隨高度的增加呈現(xiàn)指數(shù)遞減規(guī)律，其中，在0～0.2 m高度內減小幅度大，在0.2～1 m高度內減小幅度小，且在0～0.2 m高度內的濃度明顯大于0.2～1 m高度內的濃度；伴隨著風速的增大，0.2～1 m高度內的濃度漸漸增大，與此同時，底部的沙量逐漸減小，濃度隨高度減小的幅度變小。這主要是由于從風洞頂部下落的沙顆粒在伴隨著氣流運動過程中，會受到重力的作用而下沉，在風速較大時，沙子水平運動速度增大，脈動也較明顯，因此，上部被吹起的沙子也會增多，在到達風洞測試位置處，仍有大部分沙顆粒的下沉位移較小。伴隨著風速的增大，沙質量濃度垂直分布曲線呈現(xiàn)規(guī)律性變化，在0～0.2 m高度內的濃度要明顯小于風速較小的情況，在0.2～1 m高度內的濃度隨風速的增大慢慢變大，逐步轉變?yōu)殡S高度的增加而增大。

圖7(d)～圖7(h)表明同一孔數(shù)落沙的情況下，即輸沙率相同而風速不同時，3種風速下沙質量濃度隨高度的變化趨勢不同，總體規(guī)律是隨著風速的逐步加大，下部濃度越來越小，上部濃度逐漸增大，其中，2.5孔落沙時規(guī)律比較明顯，交叉點大概出現(xiàn)在0.4 m處。在0～0.4 m高度內，風速越小，濃度越大，濃度與高度成反比；在0.4～1 m高度內，風速越大，濃度越大，濃度隨高度變化規(guī)律逐步由反比轉變?yōu)檎汝P系。另外，在相同落沙的情況下，風速越大，對應的沙質量濃度總體上有減小的趨勢。輸沙率的改變在3種風速下對沙質量濃度的垂直分布特性沒有明顯的影響，整體濃度只是在數(shù)值上隨著輸沙率的增大而增大。

圖7 沙質量濃度垂直分布曲線

從圖8可以看出，在同一(孔數(shù))輸沙率進行落沙的情況下，針對3個高度(0.09、0.49、0.89 m)分別對應不同風速下的沙質量濃度進行分析可知，底部0.09 m處的濃度都是隨著風速的增大而減小，低風速時濃度相對最大；中部0.49 m處的濃度基本都是在風速為13 m/s時最大；高處0.89 m處的濃度在輸沙率較小時于13 m/s時最大，在輸沙率變大時逐漸轉化為在16 m/s時最大。在風速為10 m/s時，中部的質量濃度都大于高處；在風速為16 m/s時，剛好相反，高處的質量濃度都大于中部；當風速為13 m/s時，隨著輸沙率的增加，中部的沙質量濃度逐步由小于高處變?yōu)榇笥诟咛帯?/p>

圖8 同一高度沙質量濃度隨風速的變化曲線

2.2 風沙流場的風速剖面

風沙流場內沙顆粒的存在會對風速有直接影響，為了研究風沙流中沙的不同濃度對風速剖面影響的不同，圖9給出了5種工況下風沙流場與對應凈風場的風速剖面，并計算了相對應高度處的湍流強度。其中，凈風場是指在相同的風場布置條件和風洞控制風速下控制了單一變量，即風沙流場內加入了風洞頂部落沙，而凈風場并沒有，這樣在試驗過程中可以使試驗設備和儀器安裝位置均相同，測試結果可以直接看出沙顆粒的存在對流場特征參數(shù)的影響。

圖9 風沙流場的風速剖面與湍流強度

比較圖9(a)、(b)、(c)可知，沙顆粒的運動對風速剖面有一定影響，與凈風場相比，主要表現(xiàn)為削弱作用。將多種工況下的不同高度位置處風速的削弱值大小v進行計算，見表1～表3。

表1 風速10 m/s不同孔數(shù)落沙時的風速剖面削弱程度Table 1 Wind profile weakening degree of wind speed 10 m/s in different hole numbers

表2 風速13 m/s不同孔數(shù)落沙時的風速剖面削弱程度

表3 風速16 m/s不同孔數(shù)落沙時的風速剖面削弱程度

同一(孔數(shù))輸沙率進行落沙的情況下，取表1～表3中1、2.5孔落沙時在不同風速下的各高度處風速削弱值進行統(tǒng)計分析，其結果見圖10。與圖7(e)、(h)比較可知，各高度處風速的影響程度與沙質量濃度的垂向分布特征有關，變化趨勢基本一致，其他孔數(shù)落沙時規(guī)律也類似?？傮w表現(xiàn)為風速的削弱程度隨落沙孔數(shù)的增大而顯著，濃度大的高度處風速減弱的幅度也越大。在風速較小時，由于沙質量濃度隨高度的增加而減小，沙顆粒運動對風速剖面的削弱程度也隨高度的增加而減弱，在0～0.2 m高度范圍內的濃度最大，因此，底部風速剖面的削弱程度也較大。伴隨著風速的增大，0.2～1 m高度范圍內的沙量逐漸增多，在風速較大時，0.2～1 m高度范圍內的濃度隨高度的增加而增大，此時沙顆粒運動對風速剖面的削弱程度也隨高度的增加而略有增大；與此同時，0～0.2 m高度范圍內的濃度依然隨高度的增加而減小，其對風速剖面的削弱程度也剛好相反，只是相比較低風速而言，削弱的幅度不大。

同時，從表1～表3中可以看出，在相同落沙的情況下，整體影響程度也隨風速的增大而減小，這是由于風速越大，對應的沙質量濃度總體上會有減小的趨勢，因此，其對整體風速剖面的平均削弱程度就會變小。

圖10 不同高度處風速的減小值

2.3 風沙流場的湍流強度

為了研究風沙兩相流耦合流場中沙粒的不同濃度對湍流強度的影響，從圖9(d)、(e)、(f)給出的3種風洞控制風速下的湍流強度隨高度的變化關系可知，凈風場與風沙流場的湍流強度均隨著高度的增加而減小，且沙顆粒的運動對湍流強度有一定的影響，主要表現(xiàn)為增強作用。將多種工況時的不同高度位置處湍流強度的增大值I進行計算，結果見表4～表6。

表4 風速10 m/s不同孔數(shù)落沙時的湍流強度增大程度

表5 風速13 m/s不同孔數(shù)落沙時的湍流強度增大程度

表6 風速16 m/s不同孔數(shù)落沙時的湍流強度增大程度

同一(孔數(shù))輸沙率進行落沙的情況下，取表4～表6中1、2.5孔落沙時在不同風速下的各高度處湍流強度增大值進行統(tǒng)計分析，見圖11。與圖7(e)、(h)比較可知，各高度處湍流強度的影響程度與沙質量濃度的垂向分布特征有關，變化趨勢基本一致，其他孔數(shù)落沙時規(guī)律也類似。與風速剖面的變化規(guī)律相同，總體表現(xiàn)為湍流強度的增強程度隨落沙孔數(shù)的增多而顯著，濃度大的高度處湍流強度增強的幅度也越大。在風速較小時，由于沙質量濃度隨高度的增加而減小，沙顆粒運動對湍流強度的增強程度也隨高度的增加而減弱，在0～0.2 m高度范圍內的沙濃度最大，因此，底部湍流強度的增強程度也較大。伴隨著風速的增大，0.2～1 m高度范圍內的集沙量逐漸增多，在風速較大時，0.2～1 m高度范圍內的濃度隨高度的增加而增大，此時，沙顆粒運動對湍流強度的增強程度也隨高度的增加而略有增大；與此同時，0～0.2 m高度范圍內的濃度依然隨高度的增加而減小，其對湍流強度的增強程度也剛好相反，只是相比較低風速而言，增強的幅度不大。

圖11 不同高度處湍流強度的增大值

從表4～表6同樣也可以看出，在相同落沙的情況下，整體影響程度也會隨著風速的增大而減小，原因是風速越大，對應的沙質量濃度總體上會有減小的趨勢，因此，其對整體湍流強度的平均增大程度就會變小。

3 結論

通過對類似沙塵暴氣候條件下的風沙兩相流耦合流場進行風洞試驗模擬和研究，得到了多種工況下不同高度處的沙濃度、風沙流速、湍流強度的變化規(guī)律。

1)風洞落沙條件下的沙濃度梯度分布與落沙孔的數(shù)量、控制風速以及高度均有關。同一風速下，沙濃度隨落沙量的增大而增大；風速的改變對沙濃度的垂直分布特性有著明顯的影響，隨著風速的逐步加大，下部濃度越來越小，上部濃度逐漸增大，轉折點出現(xiàn)在0.2～0.4 m之間。

2)同一孔數(shù)落沙的情況下，3種風速下沙濃度隨高度的變化趨勢不同，大概在0.4 m處存在明顯交叉點。相同落沙的情況下，風速越大，對應的沙濃度總體上有減小的趨勢。

3)風沙流場中，沙顆粒的運動對風速有一定的削弱作用。風場中沙質量濃度沿高度方向的分布特征直接影響了各高度處風速值的大小，濃度越大對風速的削弱程度越顯著，濃度大的高度處風速減弱的幅度也越大。

4)與凈風場相比，沙顆粒的存在對湍流強度有影響，具體表現(xiàn)為沙顆粒運動對湍流強度有一定的增強作用。與風速剖面的影響規(guī)律相類似，這種增強程度隨沙濃度的增大而顯著。