风沙电场时空变化规律的测量和仪器研制

风沙环境中的风沙电场直接影响风沙流的形成和发展过程以及输沙强度和通讯雷达信号。除风沙流环境的恶劣和复杂外，没有适合于对风沙电场进行有效和准确测量的专用电场仪是致使至今缺乏对风沙电场较为系统的观测和对其规律的全面揭示的瓶颈。本项目基于对国内外市场的反复调研和文献分析以及对已有主要类型的电场仪进行的风沙电场测量结果分析和对仪器的"解剖"，提出与已有电场测量仪器均不相同的探头结构和工作原理，通过理论分析-数值模拟-仪器研制-实验测试相结合和多学科交叉，解决在电场、感应电荷、风沙流和沙粒撞击等复杂环境下的探头结构和多探头空间分布的优化设计、极板力学响应- - 极板充放电时的交变信号- - 所测环境电场间的准确、实时的有效转换等关键科学问题，自主研制三维风沙电场测量仪，有效解决在野外和风洞测量风沙电场过程中存在的测量精度低、测量结果不稳定、无法进行三维电场测量等问题。并由此给出风沙电场的时空变化的定量规律。

本项目通过实验和计算流体动力学方法研究了带有电荷的金属板结构在电场和风场以及沙粒冲击环境下的振动和变形变化规律，并提出了用于测量风沙环境下三维环境电场探头（包括尺寸、材料参数和屏蔽效果）的优化设计方案，研发出了具有体积小、抗干扰强、高精度和高准确度、高稳定性的单向电场测量探头。进一步的我们研究了探头极板的交变信号的转换处理、信号放大电路以及校准系统，编制了自动采集和分析实验数据的计算机管理程序和软件，实现了数据的有效采集和读取。由电场测量探头和数据采集系统建立了三维电场测量系统。与此同时，我们通过数值模拟研究了探头个数和空间分布对流场的影响规律，以此为基础给出了尽可能降低对风沙流流场干扰的多探头空间分布的优化设计方案。而且，开展了对风沙流环境下三维风沙电场空间分布的野外和风洞测量，给出了在不同风沙流环境下风沙电场的变化和分布规律。结果指出在风沙流中不仅存在垂直于地表的垂向电场，而且存在平行于地表的水平电场，来流风速和大气温度或者说相对湿度都对两个方向的电场有明显的影响。.在此基础上，我们以测量结果为基础通过理论分析研究了风沙流的演化过程。探讨了风沙流空间发展过程中水平和垂向电场的变化。结果表明在风沙流的发展过程中除了垂向电场以外还存在水平电场，其大小比垂向电场小，但是比晴天大气电场大一个量级。从而表明在风沙运动中存在水平电场，其可能是由于沙粒浓度水平分布的不均匀所导致的。对于沙粒的荷质比方面，以前的研究主要关注的是跃移沙粒的平均荷质比，而没有考虑荷质比沿高度的变化。为了解决这一问题，在风洞首次测量了风沙流中不同风速情况下荷质比的高度廓线，并结合接触带电模型和沙粒多次碰撞带电机制，在理论上预测了荷质比的高度廓线。理论预测与实验结果吻合较好，这表明该模型能很好的应用于荷质比的预测。