风沙系统中沙粒带电机理及电荷输运规律

风沙运动规律不仅为荒漠化防治规划也为外太空的顺利探索提供有效科学依据，沙粒带电及风沙电场改变沙粒运动控制方程而影响风沙运动，其中沙粒带电机理及电荷输运规律是准确认识风沙电规律的基础。对风沙电研究因缺乏沙粒带电机理至今除了取得风沙流上层小沙粒带负电、大沙粒带正电定性结论外，远没有达到定量上一致的程度。本项目拟通过实验测量、理论分析及数值模拟相结合的方案，首先逐一开展模拟实验对现有风沙带电推测进行佐证，发现风沙流中沙粒带电机理；然后开展风洞实验与野外实验，测量不同风速、沙粒粒径、环境温湿度以及沙土含水率等条件下风沙流中沙粒带电量尤其是单颗沙粒带电量及风沙电场，获得影响沙粒带电的主要因素；在此基础上提出沙粒带电模型，将此模型应用在风沙流模拟中，计算风沙流中沙粒带电量、电荷输运规律、风沙电场、风沙流发展及风沙流结构，确定风沙电对风沙运动及风沙流的影响规律，并预测其他星球如火星尘暴电场。

颗粒物质带电是一种广泛存在的自然现象，不仅地球上的沙尘，月球、火星等地外星球上的沙/尘颗粒均会因为某种原因而带电。颗粒物质之间以及与外界环境之间的电荷输运规律及其带电机理，是电场作用下的风沙运动规律的研究、及其相关的荒漠化防治规划，乃至于外太空探索着陆器、探索机器人静电防护设计的重要依据和基础。对风沙电研究因缺乏沙粒带电机理至今除了取得风沙流上层小沙粒带负电、大沙粒带正电定性结论外，远没有达到定量上一致的程度。本项目首先搭建了颗粒系统包括沙粒系统颗粒接触带电量实验研究平台；然后开展了人工材料颗粒和沙粒带电量实验研究；建立了风沙运动中沙粒碰撞带电量和流体起跳带电量的数学模型及其计算公式；开展了风沙电场的风洞测量以及数值模拟，以及风沙电场强度与环境因素的关联关系研究；通过上述研究获得影响沙粒带电量的主要关联环境因素和物理参数，揭示出了沙粒主要带电方式和带电机理以及风沙电电荷、电场输运规律。