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《空气动力学粗糙度的物理与实践意义》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第23卷 第4期中 国 沙 漠Vol.23No.42003年7月JOURNALOFDESERTRESEARCHJul.2003文章编号:10002694X(2003)0420337210空气动力学粗糙度的物理与实践意义刘小平,董治宝(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙漠与沙漠化重点实验室,甘肃兰州 730000)摘 要:空气动力学粗糙度是风沙边界层的一个重要参数。文章回顾了空气动力学粗糙度概念的由来;用流体力学的量纲分析法和数学方法,从两个不同的角度推导了空气动力学粗糙度;阐述了空气动力学粗糙度的物理与实践意义;简明介绍了空气动力学粗糙度的分类和各种不同下垫面空气动力学粗
2、糙度的主要研究成果,就目前研究中存在的问题、研究趋势等方面做了探讨。关键词:空气动力学粗糙度;分类;物理及实践意义中图分类号:X169文献标识码:A 空气动力学粗糙度是现代流体力学的一个重要系数。从现代流体力学观点来看,Darcy的实验结果概念,是风速等于零的某一几何高度,它表征地表与揭示了摩阻系数f随流体雷诺数Re(=uDρ/μ)和管大气的相互作用,反映地表对风速的减弱作用以及壁相对粗糙度(r0/ε,其中r0为管壁半径;ε为管壁对风沙活动的影响,也是流体力学、大气边界层理论粗糙凸出的平均高度)的变化而变化这一重要现研究的一个重要参数,在风沙科学、流体力学、大气象)。Pr
3、andtl根据Nikuradse的实验结果建立了适合科学中占有极其重要的地位。空气动力学粗糙度的于光滑和粗糙圆管的速度分布方程[5]:研究是深入理解不同床面风沙活动产生机制,以及zuz=umax+2.5ln()防治风沙危害的关键之一。因而,自从半个世纪前r0[1]Bagnold建立起风沙物理学后,引起了国内外学者或:的热切关注,取得了重要的研究成果。空气动力学uz=B+2.5ln粗糙度已被广泛地用于表征各种地表类型(如沙质u3ε地表、植被覆盖地表、冰雪面、海面)的空气动力学性式中:z为地表高度;uz为高度z处的速度;u3为摩[1～4]质。因此,了解空气动力学粗糙度概念的由来
4、,阻速度;umax为轴线风速;B为常数,需要通过实验理解空气动力学粗糙度的物理及实践意义,掌握目[5]来确定。根据Nikuradse的实验结果:B=815。因前空气动力学粗糙度的研究现状与趋势对加速空气而,在充分粗糙条件下:动力学粗糙度的研究有着重要的指导意义。uz=8.5+2.5ln1空气动力学粗糙度概念的由来及推u3ε导或者u1z1z=ln=lnu3kε/30kz01.1 空气动力学粗糙度概念的由来式中:k为冯卡曼常数,取值014。在风沙流研究中,粗糙度的概念起源于古典水力学研究,可追溯Bagnold通过一系列风洞实验研究了气流与沙粒的到Darcy的工作。1854年,D
5、arcy在21根不同直径、[5]相互作用。他发现风速廓线在无沙粒运动时遵循不同材料的圆管内进行水流实验之后,建立了摩阻[5][5]壁面定律,并且ε=016mm,风速在0102mm处为损失方程,即著名的Darcy方程:2零,即床面上ε/30处为零,这就是著名的空气动力LuFL=f(1)学粗糙度的D2g1/30定律。此结论已在风沙研究领域式中:FL为距离L处的摩阻损失;D为圆管直径;L广泛接受,不过,其他研究者已提出了许多不同的结为距离;u为流体速度;g为重力加速度;f为摩阻论。 收稿日期:2002201222;改回日期:2002204215 基金项目:国家重点基础研究发展
6、规划“中国北方沙漠化过程及其防治研究”(G2000048702);国家杰出青年基金(40225003)共同资助 作者简介:刘小平(1972—),女(汉族),四川威远县人,副研究员,博士,主要从事风沙物理研究。©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 中 国 沙 漠 23卷 338[5]后来被作为这一领域理论研究的基础。1.2 空气动力学粗糙度的量纲分析法推导1.3 空气动力学粗糙度的数学推导运用量纲分析法可以证明Darcy的实验结论。
7、由于摩阻系数f的定义为:Prandtl根据混合长度理论建立了适合于光滑和8τ0粗糙圆管的湍流速度分布方程[5]。根据Prandtl混f=2(2)ρu合长度理论,任意两层流体之间的湍流剪切应力τt式中:τ0为管壁处的剪切力。由于τ0与流体平均速为:度u、管壁直径D、流体密度ρ、流体动力粘滞系数du2μ和管壁粗糙凸出的平均高度ε有关。因此,(2)式τt=ρ(ldz)(7)可写成:假定近管壁处l=kz和τt=τ0,因此f=<(τ0)=<(u,D,ρ,μ,ε)(3)22du2τ0=ρkz()(8)函数方程(3)式可以写成:
