垂直点阵集沙仪的集沙效率[1]

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1、泥沙研究2003年2月JournalofSedimentResearch第1期垂直点阵集沙仪的集沙效率1,21,23李振山,倪晋仁,刘贤万(1.北京大学环境工程系,北京100871;2.水沙科学教育部重点实验室;3.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州730000)摘要:垂直点阵集沙仪是挟沙气流中输沙量垂线分布测量的主要仪器。各类垂直点阵集沙仪的集沙效率有所不同,因而相应获取的实测资料之精度也差异较大。作者将大量实测输沙量垂线分布数据与获取这些数据的集沙仪类型相联系,分析了各类垂直点阵集沙仪的集沙效率,发现在近床面区各种集沙仪的集沙效率都

2、较低且相差较大;远离近床面区集沙效率都较高但差别很小;集沙效率随着距床面高度的增加而急剧增高。文中提出了/集沙效率指标0,即用近床面区实测输沙量分布与上段输沙量确定的分布在近床面区外延计算值之间的偏离程度来反映各种集沙仪的集沙效率变化特征。在风速和沙粒粒径相似的条件下,集沙效率指标值越大,对应的集沙效率也越高。单管集沙仪的集沙效率最高,一般点阵式集沙仪的集沙效率次之,台阶式点阵集沙仪的集沙效率最低。集沙效率指标随集沙仪类型的变化主要受集沙仪中单个进沙口高度影响,反映了集沙仪内部排气状况的重要性。通过对气流速度和沙粒粒径等因素对集沙效率影响的讨论,

3、提出了可以通过改善近床面区集沙条件、减小集沙仪进沙口高度等方法来提高集沙效率的建议,这些对进一步研制高效的集沙仪都具有参考价值。关键词:垂直点阵集沙仪;集沙仪类型;集沙效率;风速中图分类号:TV149文献标识码:A文章编号:0468-155X(2003)01-0024-091引言垂直点阵集沙仪具有体积小、使用方便等优点,己被广泛地应用于室内外输沙量垂线分布的测量。垂直点阵集沙仪在集沙时会对其周围的气流形成一定程度的干扰,进而影响气流中沙粒的运动,会使一部分输沙量漏测。不同研究者使用的集沙仪在造型、结构及大小等方面都不尽相同,造成不同集沙仪漏测的沙

4、量也不同。各类垂直点阵集沙仪的集沙效率对于实测输沙量数据的可靠程度具有十分重要的意义。[1][2]集沙效率可以定义为由集沙仪测到的输沙量与实际输沙量之比。Rasmussen和Mikkelsen利用等动力抽吸式集沙仪(isokinetictrap)和激光多谱勒测速仪测得的输沙量垂线分布为标准对Ames、Aarhus和Aberdeen三种点阵集沙仪的集沙效率进行了研究。发现在距床面115cm的高度内Ames和Aarhus集沙仪的集沙效率仅为50%,Aberdeen集沙仪的集沙效率为70%;而在距床面115~315cm的高度内,集沙效率显著提高,前两者

5、为85%,后者为91%;在距床面315cm高度以上,三种集沙仪的集沙效率在87%~101%之间。由于沙粒主要在床面附近运动,因而三个集沙仪的总集沙效率约在50%~70%,且集沙[3]效率不随主流风速变化。Butterfield根据光学颗粒流传感器(opticalmassfluxsensor)测得的输沙量垂线分布为标准发现Aarhus集沙仪在距床面119cm的高度范围内漏测的输沙量占实际输沙量的37%。上述研究都是针对一种或数种具体的集沙仪讨论其集沙效率。对于各类集沙仪与实测输沙量分布数据可靠程度的关系过去很少论及。为此,本文不涉及某一具体集沙仪集

6、沙效率的标定问题,而是从分收稿日期:2000-07-06作者简介:李振山(1965-),男,内蒙商都人,北京大学副教授。基金项目:国家自然科学基金资助项目(49625101)。24析各种测量方法和测量仪器入手,将现有大量的输沙量垂线分布数据与各自的测量方法或测量仪器相联系,进而探讨集沙效率的变化规律和提高集沙效率的方法。2已有集沙方法比较输沙量的垂直集沙方法包括单管集沙法和点阵集沙法两种。211单管集沙法单管集沙法是通过一根金属管测量气流中的输沙量。金属管的一端为进沙口,通常被制成矩形状。这种集沙方法一般用于风洞实验研究。集沙时将集沙管的一端伸入

7、风洞内,而另一端伸出风洞外并插入盛沙盒。实验时可同时在不同高度设置多根集沙管,以同时测量各对应高度的输沙量,也可以使用一根集沙管垂直移动测量不同高度上的输沙量(图la)。212点阵集沙法点阵集沙法是通过垂直紧密排列的多个进沙口同时测量不同高度上的输沙量,相应的集沙仪称为点阵集沙仪。目前已有多种点阵集沙仪问世。国内早期使用的是前苏联学者兹纳门斯基设计的集沙仪(以下简称兹氏集沙仪),后来使用的主要是国产台阶式集沙仪和刘氏集沙仪;国外常见的如Ames集沙仪和Aarhus集沙仪。国内三种集沙仪的共同特点是集沙仪的进沙通道与盛沙盒没有连在一起。其中,盛沙盒

8、的开口截面大于进沙通道末端的截面,这样有利于排气。集沙仪主要制作材料是铁皮。兹氏集沙仪有10个进沙口,测量距地面10cm高度内的输沙量。