风沙运动赵媛媛.pdf

水土保持与荒漠化防治专业课程《风沙物理学》之水土保持与荒漠化防治专业课程《风沙物理学》之第三章 风沙运动第三章 风沙运动赵媛媛赵媛媛 yuanyuan0402@课程安排绪论风沙物理的基础知识风及其基本性质沙及其基本性质流体力学基础风沙运动风沙运动风沙地貌动力学机制土壤风蚀与防治第三章 风沙运动风沙物理学研究方法第三章 风沙运动沙尘暴也属于风沙运动的范畴沙尘暴也属于风沙运动的范畴第三章 风沙运动沙尘暴也属于风沙运动的范畴沙尘暴也属于风沙运动的范畴主要内容第一节 单个沙粒的运动第一节 单个沙粒的运动沙粒的起动机制沙粒的起动机制沙粒的起动风速沙粒运动的基本形式沙粒碰撞与旋转第二节 沙粒的群体运动第二节 沙粒的群体运动风沙流的固体流量风沙流的结构特征第三章 风沙运动风沙流的结构特征单个沙粒的运动沙粒的起动机制沙粒的起动机制沙粒的起动风速沙粒的起动风速沙粒的起动风速沙粒的起动风速沙粒运动的基本形式沙粒运动的基本形式沙粒碰撞与旋转沙粒碰撞与旋转第三章 风沙运动沙粒受力分析有效重力有效重力有效重力有效重力推力推力 升力升力升力FL升力升力冲击力冲击力风向推力FW重力冲击力2.45×102推力 重力7.19×10-1重力有效重力FG 重力升力 重力12.33×10-2第三章 风沙运动（据吴正，风沙地貌学）重力有效重力FG有效重力为重力与流体浮力之差。

F()d3/ 6FG= (ρs-ρ) gπd3/ 6第三章 风沙运动推力 FW(Drag force)摩擦力FW1(Skin friction drag)：气流与颗粒表面摩擦而产生摩擦力FW1(Skin friction drag)：气流与颗粒表面摩擦而产生 压差力FW2(Pressure drag)：作用于颗粒上的风压力推力的表达式其大小为推力的表达式，其大小为：2 21rDWAVCFrV：气流与沙粒的相对速度 2 DC：阻力系数：空气密度空气密度A：颗粒迎风面积第三章 风沙运动上升力FL(Lift force)(2) Saffman力Fs：气流的剪切( )力s气流的剪切 The Saffman lift force is due to the pressure distribution on a particle due to rotation induced by the velocity gradient of fluid (Crowe et al., 1998) 5 . 0261. 1zuVdFf rpffs第三章 风沙运动上升力FL(Lift force)(1) Magnus力F ：由于颗粒旋转(1) Magnus力Fm：由于颗粒旋转28rf mudF：颗粒旋转速度p颗粒旋转速度p第三章 风沙运动冲击力Fm u2－m u1F = t21t 力作用时间u1、u2 颗粒碰撞前后速度第三章 风沙运动主要作用力的比较主要作用力的比较 冲击力最大，超过重力的几十至几百倍； 迎面阻力次之，可 接近重力；上升力仅为重力的几十分之一到几百分之一 。

冲击力推力 升力1升力1压差力第三章 风沙运动主要作用力的比较主要作用力的比较 Chepil (1957) 通过风洞实验，认为上升力可能达到推力的同一 数量级， FL ≈0.85FD 凌裕泉和吴正(1980) 利用高速频闪照相(high-speed multiflash 凌裕泉和吴正(1980) 利用高速频闪照相(high-speed multiflash photography)对跃移沙粒图象分析结果表明，Magnus force约是 沙粒重力的4 2×10-28 7×10-2Saffman force约是沙粒重力的沙粒重力的4.2×102－8.7×102，Saffman force约是沙粒重力的3.0×10-2－4.9×10-2 贺大良等(1989)认为， Magnus力FL1约为重力的18%， Saffman 力FL2约为重力的15%驻点升力——丁国栋，2008第三章 风沙运动沙粒起动的几种形式升力FL推力FW有效重力FG其他颗粒振动振动滚动滚动飞升飞升跳跃跳跃其他颗粒 冲击第三章 风沙运动沙粒的起动机制沙粒以什么样 冲击起动说沙粒以什么样 的方式离开地表 进入气流由于接触力为主 冲击起动说  振动起动说  斜面飞升说进入气流。

由于 问题的复杂性和 研究手段的限制 风压起动说 斜面飞升说研究手段的限制 ，只能在观测的 基础上对沙粒起 风压起动说  压差起动说 起动说基础上对沙粒起 动进行简单理论 推断提出各种 Magnus起动说 猝发起动说非接触力为主推断，提出各种 假说 负压起动说  涡旋起动说第三章 风沙运动单个沙粒的运动沙粒的起动机制沙粒的起动机制沙粒的起动风速沙粒的起动风速沙粒的起动风速沙粒的起动风速沙粒运动的基本形式沙粒运动的基本形式沙粒碰撞与旋转沙粒碰撞与旋转第三章 风沙运动沙粒的起动风速当风力增大到当风力增大到某临界值某临界值时时地表沙粒就开始脱离地表沙粒就开始脱离当风力增大到当风力增大到某某一一临界值临界值时时，，地表沙粒就开始脱离地表沙粒就开始脱离静止状态而运动静止状态而运动，，这个临界风速称为这个临界风速称为起动起动风速风速静止状态而运动静止状态而运动，，这个临界风速称为这个临界风速称为起动起动风速风速• 起动风速一般约为起动风速般约为4.5～5m/s•裸露、干燥、无遮挡的沙地•粒径大小（0 1-0 5mm）粒径大小（0.1-0.5mm）•近地面（约2m）第三章 风沙运动摩阻起动风速力矩平衡dd FWsincos22WGddFFsAd*tsuAgd FGA 经验系数；ρs沙粒密度；ρ 空气密度；d 沙粒直径；g 重力加速度。

第三章 风沙运动起动风速与沙粒粒径的平方根成正比？起动风速与沙粒粒径起动风速与沙粒粒径 平方根成平方根成正比正比的关系的关系60 平方根成的关系平方根成的关系 仅存在于一定粒径范 围内仅存在于一定粒径范 围内40*(m/s)50拜格诺的实验研究表拜格诺的实验研究表 明明起动风速最小的起动风速最小的30u*明明，，起动风速最小的起动风速最小的 石英沙粒的临界粒径 为石英沙粒的临界粒径 为0.08mm，小于该，小于该2010 粒径时起动风速反而 要增大粒径时起动风速反而 要增大1000100401 d (μm)30001080摩阻起动速度与粒径的关系(Bagnold, 1941)第三章 风沙运动摩阻起动速度与粒径的关系(g,)任一高度的起动风速（一）20风速廓线方程1618200*g75. 5zzluuz度（cm）1012140uz: 高度z处的风速；摩速高度6810u*: 摩阻风速；z: 高度；24z0: 地表粗糙度，即地表凸出物的平均高度风速（cm/s）0200400600800第三章 风沙运动风速廓线（据拜格诺，1954）任一高度的起动风速*tsuAgd *5.75gzttzuu l0zs5.75lgztzuAgdz 0zA 经验系数一般取值0 1；ρ 沙粒密度；ρ 空气密度；d 沙粒直径；A 经验系数，一般取值0.1；ρs沙粒密度；ρ 空气密度；d 沙粒直径；g 重力加速度；z为高度；z0为地表粗糙度。

第三章 风沙运动土壤含水率如何影响起动风速？起动风速起动风速随土壤含水率的升高随土壤含水率的升高加大加大土壤中的水土壤中的水起动风速起动风速随土壤含水率的升高随土壤含水率的升高而而加大加大土壤中的水土壤中的水分加强了沙粒间的团聚作用，因而起动风速增加分加强了沙粒间的团聚作用，因而起动风速增加第三章 风沙运动地表覆盖植被如何影响起动风速？实验研实验研究究表明表明，，地地表植被盖度与表植被盖度与地地表粗糙度表粗糙度呈正呈正相关相关；；植植实验研表明实验研表明，，表植被盖度与表粗糙度相关表植被盖度与表粗糙度相关；；植植 被盖度增加，沙粒的起动风速会明显增大被盖度增加，沙粒的起动风速会明显增大这一思想也正是风沙源治理的主导思想这一思想也正是风沙源治理的主导思想0 020）1 0m/s）0 0120.0160.020糙度z0（m0 60.81.0风速u*t（m0.0040.0080.012地表粗糙0.20.40.6阻起动风05040302010 植被盖度（%）地（Li et al 2005; Kimura et al 2010）0252015105 植被盖度（%）摩30第三章 风沙运动（Li et al., 2005; Kimura et al., 2010）如何有效预防沙尘暴？第三章 风沙运动其他因素对起动风速的影响床面坡度对起动风速的影响坡度坡度（Dyer,1986)坡度坡度Howard(1978)sincossinsincostan222222 *xxdFUtgFp β=0.31，α为内颗粒摩阻角，x为风向与床面法线夹角第三章 风沙运动其他因素对起动风速的影响 盐度Pye等指出，由于胶结作用，沙 体中极少的含盐量可以增加起体中极少的含盐量可以增加起 动风速。

起动风速随含盐量增加呈自起动风速随含盐量增加呈自 然指数关系增加（Nickling， 1974）S tstseUU 1974）表面盐类浓度增加对起动摩阻速度的 影响（Nickling and Ecclestone 1981）tsteUU影响（Nickling and Ecclestone, 1981）第三章 风沙运动单个沙粒的运动沙粒的起动机制沙粒的起动机制沙粒的起动风速沙粒的起动风速沙粒的起动风速沙粒的起动风速沙粒运动的基本形式沙粒运动的基本形式沙粒碰撞与旋转沙粒碰撞与旋转第三章 风沙运动沙粒运动的基本形式宏观宏观第三章 风沙运动宏观宏观沙粒运动的基本形式微观微观第三章 风沙运动沙粒运动的基本形式风通过自己的搬运能力风通过自己的搬运能力风通过自己的搬运能力风通过自己的搬运能力 ，将地表疏松的沙粒纳，将地表疏松的沙粒纳 入气流入气流，，并携带着并携带着一一起起入气流入气流，，并携带着起并携带着起 运动，便形成风沙流运动，便形成风沙流根据根据风力风力沙粒大小和沙粒大小和根据根据风力风力、、沙粒大小和沙粒大小和 质量不同，沙粒有三种质量不同，沙粒有三种 基本运动形式基本运动形式 蠕移运动蠕移运动 (Creep)基本运动形式基本运动形式 蠕移运动蠕移运动 (Creep)  跃移运动跃移运动 (Saltation)  悬移运动悬移运动 (Suspension)第三章 风沙运动不同粒径沙粒的运动方式不同粒径沙粒的运动方式 (Holy, 1980) 悬移运动悬移运动 (Suspension) 蠕移 Creep沙粒沿地表的滚动或滑动，称为蠕移运动。

沙粒沿地表的滚动或滑动，称为蠕移运动 粒径为粒径为0.5－－2.00 mm的沙粒的沙粒（（粗沙粒级粗沙粒级），），一一般属于蠕移质般属于蠕移质蠕移运动的沙土颗粒称为蠕移质蠕移运动的沙土颗粒称为蠕移质 粒径为粒径为0.52.00 mm的沙粒的沙粒（（粗沙粒级粗沙粒级），），般属于蠕移质般属于蠕移质 比例：比例：20-25％（％（Bagnold），），15.7-24.9％（％（Chepil））第三章 风沙运动 蠕移 Creep 形成形成沙波纹沙波纹(Ripple)的重要原因的重要原因：：即细沙跃移碰撞使粗沙作连即细沙跃移碰撞使粗沙作连 形成形成沙波纹沙波纹(Ripple)的重要原因的重要原因：：即细沙跃移碰撞使粗沙作连即细沙跃移碰撞使粗沙作连 续的表层蠕移而聚积在波脊上续的表层蠕移而聚积在波脊上第三章 风沙运动 跃移 Saltation跃移运动是由风压力和颗粒冲击引起的跃移运动是由风压力和颗粒冲击引起的沙粒进入气流沙粒进入气流跃移运动是由风压力和颗。