3.2.1　经典的冲击起动假说和流体起动假说

Bagnold首次提出了流体起动和冲击起动概念,并认为跃移系统达到稳态时,沙粒起跳为跃移冲击作用所致。此观点为大多数学者所接受(e.g.Ungar ＆amp; Haff, 1987; Anderson ＆amp; Haff, 1988)。但是关于流体起动的微观机制没有给出更进一步的解释。对于流体起动的机制,分别有振动起动说、升力-压差起动说、猝发起动说、负压起动说和涡旋起动说等各种假说(董治宝,2005)。

振动学说认为沙粒脱离地表运动是湍流扩散作用的结果,当风速接近起动值的时候,一些颗粒开始来回振动,且随着风速加大振动幅度逐渐增大直至离开地表,这暗示着沙粒起动过程中的振动与风速脉动谱有密切的联系。压差升力学说用机翼绕流理论解释沙粒起动过程。根据机翼绕流理论,当气流流过沙面时,沙粒上部和底部的流速不同而造成沙粒顶部和底部压力差,进而产生上升力使得沙粒起动。由于沙粒尺度与机翼尺度的存在显著差异,沙粒与气流摩擦作用、气流压差和升力的有限性以及沙粒在气流作用下的起动过程来看(滚动后起跳的特征),都在暗示着该学说与沙粒真实起跳过程有很大的差距。猝发起动说是借鉴流水中湍流猝发现象及其在泥沙起动中的作用发展而来,这部分研究主要是来自水槽实验结果,如爱因斯坦和李焕的研究、格拉斯的研究等。风沙研究者利用风洞实验观测了沙粒起动过程,也认为沙粒起动与边界层湍流猝发结构有关。湍流结构与输沙率关系研究表明(Leenaers, et al., 2005),输沙率对湍流结构具有不完全响应的特征,暗示者湍流猝发结构与风沙颗粒起动有着更复杂关系。负压起动说认为沙粒可由负压作用而脱离地表进入气流。由于负压现象只有在16 m·s-1的高风速下才可能存在,而沙粒起动风速约在4~6 m·s-1左右,看起来负压起动的可能性不大(董治宝,2005)。

斜面飞升说认为,风沙颗粒脱离地表是由于地表斜面的存在使得滚动的沙粒沿凹凸不平的斜面升入气流中。该学说实质强调床面微尺度斜坡对粒-床碰撞过程的影响,是对冲击起动学说的发展。有学者认为风沙起动主要是斜面飞升与冲击碰撞相结合的结果(贺大良和高友方,1988)。

根据床面附近沙粒冲击速度小、细沙颗粒冲击作用较弱的事实,前人对冲击起动的作用提出了质疑(董治宝和郑晓静, 2005)。风雪输运过程的数值结果表明(Doorschot ＆amp; Lehning, 2002),低风速下雪粒起跳以流体起动为主(壁面的湍流切应力大于或接近流体起动的切应力),高风速下以冲击起动为主,中等风速条件下二者作用相当,且随着雪粒粒度增加,空气动力学起动的作用愈大。此结论是否适合风沙流,尚需要实验工作的验证。有学者通过理论推导提出了冲击起动和气动力起动交替循环的机理(赵建华等,2005)。

至于升力起动说、压差起动说、振动起动说、斜面飞升说、猝发起动说、湍流起动说、负压起动说和涡旋起动说等各种假说, 仅是从某一侧面反映了沙粒起动的原因,还不能够系统地揭示影响沙粒起跳的主要动力学过程。著者认为,沙粒起跳过程实质上是湍流动量以各种方式向沙粒传递的过程,空气动力学起动是湍流动量直接地传递给起跳沙粒,而冲击起动是吸收了湍流动量的沙粒(如运动沙粒空中加速过程)把一部分动量通过粒-床面碰撞过程传递给静止的沙粒。这样看来要全面清楚地阐明沙粒起跳的动力学机制,需要从湍流动量的传递过程来理解沙粒起动的规律。驱动风沙运动的是大气湍流,而湍流的重要本质是相干结构的发生与消亡的交替演化(e.g.胡非, 1995; Hunt ＆amp; Morrison,2000),这个过程伴随着湍流动量释放与输送,其中湍流相干结构演化在动量输送中扮演了关键角色,这意味着从湍流相干结构演化、湍流随机脉动等动量传递过程角度来认识沙粒起跳机制,可能是解决此类问题的一个新颖而有效的途径。

关于湍流相干结构与输沙率关系,Sterk 研究小组发现在下扫事件(sweep event) 和注出事件(outward event)具有较高的输沙率,而在湍流动量输运很高的上抛事件(ejection event)对应的输沙率较低(Sterk, et al., 1998; Leenders, et al., 2005)。这似乎很难把湍流相干结构和沙粒起跳联系起来。但应该看到,由于跃移传感器高度限制(地表以上0.1 m处),其可能很难观测到近地面低速的起跳粒子群对输沙率的贡献(下扫事件和注出事件对应的是高速的起跳粒子群)及低速粒子起跳、输运与湍流上抛事件的内在联系,而根据前人的研究(Zheng, et al., 2004; Dong, et al., 2007),在床面约0.02 m厚度内存在一个由低速起跳颗粒组成的输沙率很大的饱和层,因而著者认为此层粒子的起跳可能和湍流的上抛事件有密切的关系。至于湍流的随机脉动与沙粒起跳的关系,目前所知很少,前人的数值模拟均表明湍流脉动会改变细沙的起跳轨迹(Shao, 2005; 王萍等,2008)。

风沙颗粒起动机制是长期困扰学术界的一个悬而未决的难题,破解这道难题的主要瓶颈在于流体起动(包含气流以拖曳或卷吸等各种可能的方式使沙粒起动)和冲击起动,这2种起动方式是始终交织于风沙输运过程中,很难通过传统风沙实验观测或多相流力学理论分析来分离、区分空气动力学起动和冲击起动。另外,长期以来沙粒起跳机制的研究更多地关注床面因素(沙粒的粒度分布、水分、粗糙元遮盖效应等)和颗粒碰撞过程等“固相信息”的作用,注重研究时均流场对风沙输运的影响,而忽视了“瞬时的流相信息”对沙粒起跳的作用,而最近研究表明这类“瞬时的流相信息”在风沙跃移作用是不容忽视的。气象观测表明(曾庆存等, 2007a, b),沙尘天气过程中的阵风具有明显的相干结构,阵风期有强烈下沉气流和动量下传会导致高起沙率,而在阵风间歇期存在强烈上升气流携带沙尘由近地面向高空传输。这意味着受高空气流动量下传的激发作用,大气边界层湍流的相干结构对沙粒起跳存在卷吸作用。相关综述也认为湍流性质包括湍流猝发对风沙输运的影响是不能忽视的(黄宁, 郑晓静, 2007)。

鉴于此,著者借助湍流理论和风沙互馈假说,从风沙输运的动态演化角度提出了一个风沙颗粒起动的概念模式(梅凡民, 2011),以期为风沙颗粒起动机制问题的最终解决提供思路和理论框架。