风沙颗粒猝发起动的空气动力学机制的实验研究

由于经典的冲击起动学说忽视了湍流猝发和湍流瞬时脉动这两个强烈影响风沙边界层动量输运的重要角色在沙粒起跳的重要作用,本研究提出猝发起动、普通空气动力学起动和冲击起动交替作用的机制。拟通过发展相位多普勒气固两相流同步测速技术，并结合粒子图像测速技术，同步地测量风沙输运过程中边壁区和主流区瞬时动量、沙粒群动量、碰撞过程的动量损失和沙粒群起跳速度等指标在风沙两相流输运的变化趋势，阐明沙粒猝发起动在风沙输运的重要作用，理解沙粒猝发起动、普通的空气动力学起动以及冲击起动作用下动量输运和沙粒起跳规律，揭示湍流猝发过程中流向涡产生、发展和消亡的空间演化机制以及对沙粒起跳速度的影响，建立在空气动力学起动、冲击起动以及二者共同作用下的起跳沙粒的速度分布函数，阐明湍流猝发和沙粒起跳之间的内在联系，以完善和发展经典的冲击起动学说、促进沙粒起跳基础理论的发展和沙尘暴预报体系中起沙模式的改进。

利用改进高速摄影技术、激光多普勒测速技术、小波分析方法和高速摄影图像数据提取方法，项目研究了风洞实验段起始段（无冲击过程）、前段（发展段存在着显著地碰撞过程）、中断（过渡段）和稳定段（完全冲击过程）细沙，细中沙和中粗沙不同类型床面的沙粒起跳过程和瞬时输沙率的时空变化趋势。结果表明，风洞试验起始段沙粒起跳为湍流直接的卷吸，具有骤发性的猝发特征；风洞前段和稳定段分别约有20-5%的沙粒属于空气动力学起跳；风洞稳定段沙粒起跳是高速入射粒子的冲击所致，稳态风洞湍流环境下，稳态风沙输运过程中风沙颗粒起跳方式不具有动态演化的趋势，可能是风洞湍流本质所致。在摩阻风速0.53 m s-1风洞边界层10 mm处湍流上抛结构和下扫结构平均历时为0.005 s, 出现的准周期约为0.06 s, 相干结构发生概率为22%，瞬时运动应力近似符合正偏态的正态分布。在此湍流环境下，高速入射粒子溅射的颗粒数在1mm 和5 mm 空间尺度上具有明显的流向差异，床面29-34 mm之间溅射数目为59颗，为最强烈冲击区域，在此区域内入射粒子水平速度和垂直速度在0.0005 s量级上波动，冲击事件发生的平均周期为0.09 s, 强冲击事件发生概率为25%，高速入射粒子有充分时间和机会吸收湍流相干结构释放的动量。反弹粒子和溅射粒子的水平速度和垂直速度近似符合正偏态的正态分布模式。合成的起跳粒子的水平速度和垂直速度在0.0005s量级上明显的波动，高速起跳粒子群速度波动平均周期为0.02 s, 发生的概率为11%。床面附近10 mm处瞬时输沙率在0.0005-0.05 s 具有明显的波动，在0.0005 s量级上，强输沙率事件的发生概率约为25%左右，与湍流相干结构的发生概率基本一致，可看作是瞬时输沙率对湍流相干结构的响应。稳态风沙输运情况下，入射粒子入射速度及冲击效应、起跳沙粒群速度以及瞬时输沙率响应了风洞边界层湍流相干结构传递的动量。风沙颗粒起跳在空间上从不稳定到稳定过程中，起跳方式、输送强度在流向上有显著不同，同时又是相互联系2个过程。这启示使我们从二者联系和空间变化上去考虑湍流结构和风沙输运关系，这将为进一步理解沙波纹形成和输沙率时空变化提供了帮助。