第三篇 风沙运动-赵媛媛

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1、水土保持与荒漠化防治专业课程《风沙物理学》之第三章风沙运动赵媛媛yuanyuan0402@126.com课程安排绪论风沙物理的基础知识风及其基本性质流体力学基础沙及其基本性质风沙运动风沙地貌动力学机制土壤风蚀与防治风沙物理学研究方法第三章风沙运动第三章风沙运动沙尘暴也属于风沙运动的范畴。第三章风沙运动主要内容第一节单个沙粒的运动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风沙流的固体流量风沙流的结构特征第三章风沙运动单个沙粒的运动沙粒的起动机制沙粒的起动风速沙粒运动的基

2、本形式沙粒碰撞与旋转第三章风沙运动沙粒受力分析有效重力升力FL推力升力风向冲击力冲击力2推力FW2.45×10重力推力7.19×10-1重力有效重力F升力G12.33×10-2重力（据吴正，风沙地貌学）第三章风沙运动有效重力FG有效重力为重力与流体浮力之差。F=(ρ-ρ)gπd3/6/6Gs第三章风沙运动推力F(Dragforce)W摩擦力F(Skinfrictiondrag)(Skinfrictiondrag)：气流与颗粒表面摩擦而产生W1压差力F(Pressuredrag)：作用于颗粒上的风压力W2推力的表达

3、式，其大小为：12FCAVVr：气流与沙粒的相对速度WDr2C：阻力系数D：空气密度A：颗粒迎风面积第三章风沙运动上升力F(Liftforce)L(()2)Saffman力F：气流的剪切sTheSaffmanliftforceisduetothepressuredistributiononaparticleduetorotationinducedbythevelocitygradientoffluid(Croweetal.,1998)0.5u2fF1.61dVsffprz第三章风沙运动上升力F(Liftforce

4、)L(1)Magnus(1)Magnus力F：由于颗粒旋转m2udrfFm8p：颗粒旋转速度第三章风沙运动冲击力mu－muF=21tt力作用时间u、u颗粒碰撞前后速度12第三章风沙运动主要作用力的比较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压差力第三章风沙运动主要作用力的比较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，F≈0.85FLD凌裕泉和吴正(1980)利用高速频闪照相(high-speedmul

5、tiflashphotography)对跃移沙粒图象分析结果表明，Magnusforce约是沙粒重力的424.2×10-2－878.7×10-2，Saffmanforce约是沙粒重力的3.0×10-2－4.9×10-2。贺大良等(1989)认为，Magnus力F约为重力的18%，SaffmanL1力F约为重力的15%L2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振动滚动飞升跳跃其他颗粒冲击第三章风沙运动沙粒的起动机制冲击起动说沙粒以什么样接触力为主振动起动说的方式离开地表斜面

6、飞升说进入气流。由于问题的复杂性和风压起动说研究手段的限制压差起动说，只能在观测的基础上对沙粒起Magnus起动说基础上对沙粒起动进行简单理论非接触力为主猝发起动说推断，提出各种负压起动说假说。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沙粒的起动风速沙粒运动的基本形式沙粒碰撞与旋转第三章风沙运动沙粒的起动风速当风力增大到某一临界值时，地表沙粒就开始脱离静止状态而运动，这个临界风速称为起动风速。•起动风速一般约为4.5～5m/s•裸露、干燥、无遮挡的沙地•粒径大小（010.1-05mm0.5mm）•

7、近地面（约2m）第三章风沙运动摩阻起动风速力矩平衡ddFFFsincosWWG22suAdAgdF*tGA经验系数；ρ沙粒密度；ρ空气密度；d沙粒直径；g重力加速度。s第三章风沙运动起动风速与沙粒粒径的平方根成正比？60起动风速与沙粒粒径平方根成正比的关系50仅存在于一定粒径范(m/s)40围内。*u30拜格诺的实验研究表明，起动风速最小的20石英沙粒的临界粒径为0.08mm，小于该10110408010010003000d(μm)粒径时起动风速反而要增大。摩阻起动速度与粒径的关系((g,Bagnold,1

8、941))第三章风沙运动任一高度的起动风速（一）20风速廓线方程1816z）14u5.75ulgz*cm12z0（10度高8u:高度z处的风速；z6u*:摩速摩阻风速；42z:高度；z0:地表粗糙度，0200400600800即地表凸出物的平均高度。风速（cm