3.2.3　模式验证的方法和途径

要验证风沙颗粒起动的概念模式,最终阐明风沙颗粒起动的力学机制,需要综合利用相位多普勒粒子动态分析(PDPA)测速技术、粒子图像测速技术(PIV)和高速数字摄影技术。PDPA是在激光多普勒测速技术的基础上发展起来的新技术,它的突出优点是可以同步测定粒子的速度和粒径。通过区分沙粒和气流示踪粒子粒径,可实现对风沙边界层内运动沙粒群和气流的同步测速。当然,PDPA只对球形颗粒是可靠的,因而在进行气固两相流同步测速时,需要保证沙粒和示踪粒子具有较高的球度。在实际测试中,可以用玻璃球代替沙粒,以橄榄油、花生油等作为示踪材料,用烟雾发生器产生跟随性和球度很好的示踪颗粒,这能有效地提高气固两相流测速数据的可靠性,并能近似同步地测定风沙边界层边壁区湍流瞬时运动应力、运动沙粒群的瞬时速度和动量等指标的高频变化。根据获得的数据和图3-7的相关指标可以揭示沙粒起动机制的动态演化过程。应该看到,相位多普勒技术属于单点测量技术,而湍流相干结构的演化、沙粒群起动过程至少应该看作是二维的,因而要更清楚地揭示风沙两相流动态过程,还需要二维粒子图像测速技术的配合。

在风沙科学领域,PIV技术主要用来测试沙粒群空间平均的场速度,而要实现对风沙两相流的同步测速还需要进一步探索,这主要是因为在靠近风沙边界层的边壁区范围内沙粒群浓度很高,它们易与气流示踪粒子相重叠而影响同步提取两相流的速度信息。王元的研究小组分别利用粒径分辨法(王大伟等,2006)和荧光标记法(杨斌等,2009)对风沙两相流的PIV图像成功地进行了气固两相分离,并结合互相关算法和粒子追踪算法(PTV)获得了风沙两相流的平均流场。就本文模式的实验验证而言,主要是利用二维PIV同步测速技术来捕捉湍流猝发过程中流向涡产生、发展和消亡的过程及其与沙粒群速度场耦合关系。考虑到问题的复杂性,需要结合粒径分析法和荧光标记法来分离气固两相流,但从实际操作的实验成本和难度来看,似乎粒径分析方法更适用本文模式的验证。(https://www.daowen.com)

自20世纪70年代开始,高速胶片摄影技术开始用于观测单个沙粒运动速度和运动轨迹(凌裕泉和吴正,1980;贺大良和高有广,1988;刘贤万等,1989),由于高速数字摄影技术在信息储存和处理上的优势,近年来高速数字摄影技术替代胶片摄影技术并用于观测风沙颗粒运动过程。特别是随着商业化高灵敏度的CCD相机和CMOS相机以及高功率连续激光源的应用,为高频率高清晰度地观测风沙边界层近壁区沙粒的运动过程和研究沙粒起跳的动力学机制提供了有效手段。和PDPA技术、PIV技术相比较,数字高速摄影技术的突出优点是能够直接从图像上获得沙粒起跳的完整过程,有可能地区分冲击起动和空气动力学起动并进而阐明空气动力学起跳和冲击起动在沙粒群起跳过程中的作用,因而高速数字摄影技术能为本文模式的验证提供重要支撑。当然目前要想利用高速数字摄影技术来同步地观测起跳沙粒和气流示踪粒子的运动速度,还存在很大的困难。今后随着高感光度CCD的发展和高功率连续激光器的发展,高速数字摄影技术将可为研究风沙两相流的高频响应关系提供强有力的支撑。