风力作用下沙粒起动随机特征的实验研究

风力作用下沙粒的起动规律是风沙科学的基本研究内容之一。床面沙粒暴露度的随机分布和近床面气流剪切应力的随机特性导致沙粒的起动具有很强的随机特征。目前国内外对此都没有进行过深入的研究，而且基本上缺失相关的实验数据。本项目以风洞实验为主，辅以数值实验和理论分析，对床面沙粒的暴露度分布规律，近床剪应力分布规律及其对沙粒起动概率的影响进行较为细致地研究，提出沙粒起动的随机模型及应用上的判别标准，以期完善风沙起动的研究理论，促进风沙科学的发展。

近地面气流的随机性对沙粒输移和风沙地貌的形成都具有重要的影响。开展沙粒起动的随机性研究具有重要意义。本项目以风洞试验和理论分析为主要手段，通过搭建高精度的测量系统，对床面上充分暴露颗粒的起动（振动、滚动）非均匀特征及机制开展了细致的研究，主要取得了三个方面的成果。.（1）建立了基于激光距离传感器的颗粒起动与风速同步测量系统，实现了对颗粒位移的高精度测量，据此获得了床面颗粒振动的概率分布特征以及颗粒由振动向滚动转化的临界条件。粗颗粒振动可分为单峰和多峰两种基本类型，其中单峰振动占总数的75.4%，但其比例随来流风速的增加而减小。多峰振动具有较长的振动时间和较大的振幅。颗粒的水平和垂向振幅及振动时间服从对数正态分布，振动间隔时间服从负指数分布。振动角度超过临界值0.41π时，振动转变为滚动。.（2）将气流进行分解，建立了基于气流能流事件的粗颗粒起动模型。在接近起动风速的条件下，将能够对颗粒做功的气流片段定义为能流事件，结合颗粒动力学给出了能流事件的理论定义。建立了基于能流事件的粗颗粒起动模型和起动能量标准，该标准能够较好地将振动和滚动分开。引起滚动的能流事件的能量传递系数在0.0048−0.0096之间，而导致振动的能流事件的能量传递系数一般低于0.0048。.（3）基于颗粒起动的能量框架，揭示了气流相干结构与颗粒相互作用的动力学机制。发现颗粒的振动和滚动主要是由气流清扫事件造成。清扫事件充分起动颗粒需要满足两个条件:（i）能够产生超过床面初始阻力的拖曳力；（ii）能够给颗粒提供超过某一临界值的能量。给出了清扫事件临界能量的具体表达式，并利用实验资料进行了验证。.本项目提供了一种新的研究气流能量向地表传递的方法，建立的能量标准可用于估计粗颗粒的振动频率及起动率，对于深入理解沙粒起动规律有重要价值。