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風沙過程觀測與模擬 版權信息
- ISBN：9787030752093
- 條形碼：9787030752093 ; 978-7-03-075209-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
風沙過程觀測與模擬 內容簡介
地表風沙過程包括風對地表的侵蝕作用、風沙運動過程、風沙地貌過程、土地沙漠化等。本書針對上述過程涉及的重要科學問題，詳細介紹了傳統和近期新的觀測與模擬研究方法，闡述了作者等人在風沙過程觀測與模擬研究中所取得的重要成果和進展。主要內容包括：風的觀測與模擬、風沙運動觀測與模擬、土壤風蝕觀測與模擬、風沙地貌觀測與模擬、土地沙漠化調查與監測。其中，風沙過程的觀測研究主要指野外實地調查、觀測和現場試驗，模擬研究包括風洞實驗模擬、數值模擬和模型模擬。本書在介紹觀測與模擬方法的同時，也強調了方法的規范性或準則。
風沙過程觀測與模擬 目錄
目錄
前言
第1章 風的觀測與模擬 1
1.1 風沙邊界層 1
1.2 風的野外觀測 10
1.3 風洞模擬 18
第2章 風沙運動觀測與模擬 28
2.1 風沙運動過程 28
2.2 野外觀測 38
2.3 風洞模擬 41
2.4 風沙流數值模擬 67
第3章 土壤風蝕觀測與模擬 86
3.1 風蝕類型與分布 86
3.2 風蝕影響因子及其作用原理 91
3.3 風蝕野外觀測 95
3.4 風蝕模擬 120
3.5 137Cs示蹤 154
3.6 土壤風蝕模型 160
3.7 風蝕監測與評價 167
第4章 沙漠化調查與監測 173
4.1 沙漠化分類分級體系 173
4.2 野外調查 174
4.3 遙感影像解譯與制圖 176
4.4 沙漠化監測 178
參考文獻 189
前言
第1章 風的觀測與模擬 1
1.1 風沙邊界層 1
1.2 風的野外觀測 10
1.3 風洞模擬 18
第2章 風沙運動觀測與模擬 28
2.1 風沙運動過程 28
2.2 野外觀測 38
2.3 風洞模擬 41
2.4 風沙流數值模擬 67
第3章 土壤風蝕觀測與模擬 86
3.1 風蝕類型與分布 86
3.2 風蝕影響因子及其作用原理 91
3.3 風蝕野外觀測 95
3.4 風蝕模擬 120
3.5 137Cs示蹤 154
3.6 土壤風蝕模型 160
3.7 風蝕監測與評價 167
第4章 沙漠化調查與監測 173
4.1 沙漠化分類分級體系 173
4.2 野外調查 174
4.3 遙感影像解譯與制圖 176
4.4 沙漠化監測 178
參考文獻 189
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風沙過程觀測與模擬 節選
第1章風的觀測與模擬 風沙邊界層定義為大氣邊界層下部貼地層中沙粒運動所在區域。氣流湍流特征和風速廓線是風沙邊界層氣流特征研究的核心。本章主要闡明風沙邊界層氣流特征，以及風的野外觀測和風洞模擬方法。 1.1風沙邊界層 1.1.1邊界層氣流特征 1.風的湍流 風沙運動發生在大氣邊界層下部的貼地層，引起風沙運動的氣流（風）均處于湍流狀態。湍流運動的基本特征是流體運動具有隨機性，即在時間和空間上表現出無規則運動，如野外瞬時風速隨時間的變化具有明顯的波動特征（圖1-1）。 為了表征風速脈動的大小和強弱，常采用均方根脈動風速和湍流強度（或脈動強度）來描述： （1-1） （1-2） 式中，uf，rms為均方根脈動風速（即標準偏差）；u′fi、ufi和ufm分別為統計時間段內i時刻主風向上的脈動風速、瞬時風速和平均風速，N為瞬時風速的統計數目；為湍流強度。如果三維空間中主風向不是沿坐標軸方向，那么三個坐標軸方向的湍流強度等于三個坐標軸方向的均方根脈動風速除以合成平均風速。野外沙地表面上1m高度處測量得到的三個坐標軸方向的均方根脈動風速和湍流強度隨時間的變化分別見圖1-2和圖1-3，其中x方向表示水平面上的主流風向，z方向表示高度方向，y方向表示垂直于x和z方向的側向方向。 根據雷諾（Reynolds）分解方法，描述湍流狀態下不可壓流體運動的雷諾時均動量方程（即Navier-Stokes方程）為 式中，ρf、p和μ分別為空氣密度、壓強和動力黏度；g為重力加速度；t為時間；x為坐標軸；下標i和j在三維直角坐標系中取值為1、2和3。為了表示方便，風速uf和壓強p上的時均符號已略去。 式（1-3）中為雷諾應力張量，可記為，它是由速度脈動引起動量轉移而產生的。u、v和w分別表示x、y和z方向的風速，那么湍流剪應力（或雷諾應力）表示風速脈動攜帶的水平（x方向）動量的垂向（z方向）通量。 2.風速廓線特征 邊界層內氣流對地表的剪切作用引起地表沙粒起跳進入氣流，從而產生風沙運動。因此，湍流邊界層內風速隨高度變化（即風速廓線）的特征對理解風沙運動機理十分重要。 對于固定沙床或無沙地表，邊界層氣流運動可簡化為x方向的定常剪切流動，此時，y方向和z方向平均速度均為0，即v=0，w=0。那么，在x方向的動量方程簡化為 （1-4） 邊界層壁面區存在三個子層——黏性底層、過渡層和對數律層。貼近壁面的黏性底層非常薄，分子黏性力在動量交換中占主導作用，而在對數律層，湍流已充分發展，分子黏性力遠小于湍流剪應力，此時，式（1-4）變為 （1-5） 可見，湍流剪應力為一常數，可記為τ： （1-6） 求解雷諾時均動量方程［式（1-3）］或式（1-6），需要對雷諾應力進行模化，并發展出諸如混合長度理論、k－ε、k－ω等湍流模型。本書采用渦黏假設和Prandtl混合長度理論來模化： （1-7） （1-8） （1-9） 式中，μt為湍流黏性系數；l為混合長度；k為常數（等于0.4）。將式（1-7）～式（1-9）代入式（1-6），得 （1-10） （1-11） 剪應力τ定義式為，其中u*為摩阻風速，那么： （1-12） 對式（1-12）積分，得 （1-13） 式中，C為待定系數。 風速減小至0時的高度可記為z0，又稱為空氣動力學粗糙度，那么： （1-14） 將式（1-14）代入式（1-13），可得到風速廓線的對數律表達式： （1-15） 對風洞內凈風場風速廓線的測試結果驗證了對數律風速廓線（圖1-4），空氣動力學粗糙度隨摩阻風速的增加先很快減小，然后基本保持不變。野外流沙表面不同風速條件下的風速廓線（圖1-5）也基本符合對數律，但其空氣動力學粗糙度隨來流風速的增加有增加趨勢。 1.1.2沙粒運動對邊界層氣流的影響 1.風沙邊界層應力守恒 風沙邊界層主要指躍移層范圍。躍移沙粒（粒徑為70～500μm）通常以類似拋物線的軌跡從沙床面起跳，從氣流中獲得動量而加速，同時在重力作用下降落而撞擊沙床面，在撞擊過程中將從氣流中獲得的動量轉移給床面沙粒，從而床面沙粒飛濺起來繼續做跳躍運動，引起連鎖反應。沙粒的這種連續跳躍運動，稱為躍移運動。沙粒和氣流之間通過力的作用而傳遞動量，引起沙粒速度和氣流速度的改變。 如果不考慮沙粒的運動，即純凈氣流，邊界層中湍流剪應力τ為常數（對數律層），即τ不隨高度變化。當存在沙粒運動時，沙粒對氣流的阻礙作用導致邊界層中湍流剪應力τ不再為常數。風沙邊界層中沙粒對氣流剪切作用的影響分析如圖1-6所示。 對于位于高度的流體層，如果沒有沙粒存在，根據力平衡，上部流體對其的剪切力等于下部流體對其的剪切力。當有沙粒存在時，沙粒所受流體施加在x方向上的力為fdx，根據力平衡，則有 （1-16） 式中，N為上下表面積均為A、厚度為dz的區域內的顆粒數目。如果設該區域內單位體積流體對顆粒的作用力為Fdx，那么： （1-17） 將式（1-17）代入式（1-16），有 （1-18a） （1-18b） 對式（1-18b）進行積分，得 （1-19） 當高度z→+∞時，沒有顆粒存在，此時的湍流剪應力等于風沙邊界層（或躍移層）以外（z>δ，δ為風沙邊界層厚度即躍移層高度）的湍流剪應力：
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