论文部分内容阅读
疏透度是决定栅栏防护效益的重要参数，众多的研究者认为栅栏防沙的最佳疏透度在0.3～0.4之间，但是缺乏足够的证据来解释这一现象，更不清楚这种最佳的疏透度与气流场之间到底有怎样的关系。本研究通过风洞模拟实验，借助粒子图像测速系统( PIV)，对不同疏透度栅栏周围的二次流特征进行了精细测量，深入分析了栅栏的减速效应及湍流输送过程，为栅栏防沙的最佳设计提供了理论解释。实验结果表明：
(1)疏透度对栅栏周围气流的平均水平速度场影响比较明显。疏透度越小栅栏后平均水平风速衰减越快，出现的最小风速值也越低，紧密型栅栏后的相对水平风速沿流向呈“W”型分布，在x=10～15H，y=0.2H的地方水平风速衰减程度最大：栅栏后的累计减速率可以用高斯峰值函数来拟和，随疏透度的增大累计减速率先增大后减小，疏透度为0.2时累计减速率最大。
(2)栅栏绕流的垂直速度分量随着疏透度的增大而减小。受栅栏抬升影响，气流的垂直速度在栅栏顶部最大，然后沿流向迅速减小，在距离栅栏约6H的水平距离处变为负值，直至栅后10～15H的地方出现向下的最大值。由于栅栏周围气流垂直速度的骤变，它会影响到沙粒的跃移高度，从而影响了栅后沙粒的沉积过程。
(3)受直立栅栏的影响，栅栏周围的风速廓线偏离了对数一线性规律。当疏透度η≤0.2时，气流自栅栏的顶部开始发生分离，并在栅栏后方形成一个椭圆型反向涡，反向涡的中心位置随疏透度的增大逐渐向下风向移动；当η≥0.3以后，穿过栅栏的气流增多，栅后的反向涡消失，流线没有明显的分离迹象，气流发生分离的临界疏透度为0.2～0.3；分离气流的重附距离随栅栏疏透度不同而有所不同，介于8.4～16H之间，当疏透度为0.1时达到最大值：反向涡的高度和面积随栅栏疏透度的增大而减小，且当疏透度为0.05时，反向涡的面积最大。
(4)疏透度是影响栅栏湍流特性的主要因素。气流经过栅栏顶部加速分离后在其顶部后方1～3H的高度范围内形成了一个向上倾斜弯曲的“楔型”剪切层，且剪切中心随疏透度的增大而降低；栅后的湍流强度、湍动能和雷诺切应力随疏透度的变化规律基本一致，都在气流恢复区域以上的剪切层内表现最强，而且随疏透度的增大湍流相关系数和雷诺切应力对湍动能输送的平均贡献均越小：湍流的瞬时扫掠和喷发事件占雷诺切应力贡献的主要部分，并且随着下风向水平距离和栅栏疏透度的增大，两者的相对贡献率均呈减小趋势。
(5)根据PIV所测的非对数一线性风速廓线形态及风速梯度，栅栏后的平均流场可以划分为六个典型区域，即：①外流区；②溢流区；③尾流区(包括两个亚区，上部尾流区和下部尾流区)；④内边界层；⑤反向涡；⑥小涡旋区。随着栅栏疏透度的增加，气流变得越来越复杂，而且流动的区域会随着下风向距离的增加逐渐合并，划分的区域越来越少。
(6)受二次流的影响，栅栏后颗粒起动时的运动特征大致有三种形式，且根据临界状态下颗粒的运动特征，栅栏前后的水平地表可以划分为五个典型的区段，且随着栅栏疏透度的增加，颗粒起动时的复杂程度在减小；疏透度为0.3左右的栅栏，因其有最大的相对起动风速和有效防护距离，最适宜于防风阻沙。
(7)针对不同的防护要求和目的，栅栏的最佳疏透度也有所不同。本研究PIV所测结果表明，栅栏防沙的最佳疏透度应该在0.2～0.3左右为宜，而疏透度为0.1的栅栏其防风效果较好：在实际应用中，设计者应因地制宜，选择合适的栅栏疏透度。
(8)本研究风洞实验结果表明，PIV系统是一种快速、高效的测量技术，可以获得精确的流场结构，为风沙物理的实验研究及数值模拟提供翔实的数据资料，是研究风沙流、风沙动力地貌学以及防沙工程原理的有效设备。