3.5.2 研究方法
风洞实验是在中国科学院寒区旱区环境工程研究所风沙物理与沙漠环境实验室的野外风洞中完成,其几何尺寸和空气动力学性质见文献(Dong, et al., 2002)。
本文布置了39组粗糙床面,包括25组细高密实的粗糙元覆盖床面,其对应的方向比率分别为4, 8, 12, 16, 20,5组低矮密实粗糙元覆盖底面,其对应方向比率分别为0.25,0.5, 0.75, 1.0, 1.25,9组孔隙粗糙元覆盖的床面(即丛状分布粗糙元覆盖床面),其对应的孔隙度分别为0.15, 0.55, 0.75,具体的粗糙元结构参数定义及数值见3.3.1所述。
起动摩阻风速测试所用的沙样来自腾格里沙漠的沙漠沙,粒径在100~450 μm之间,其粒径分布符合双峰对数正态分布模式,可用2个中值粒径分别为170 μm和320 μm对数正态分布群体构成,后者占比为84%(见表3-11)。
表3-11 对数正态分布模式模拟的沙样统计参数(梅凡民等,2020)
粗糙床面跃移起动的观测方法是在粗糙床面上均匀撒播大约1 mm厚的沙子,采用摄像头监测下风向沙粒起动(见图3-40)。慢慢增加风机频率,当观测到胶带黏贴到5~10粒沙粒时,用风速廓线仪记录风速廓线数据。为了减小实验误差,每个床面做5次平行实验,取平均值作为起动摩阻风速。这种判断沙粒起动的方法已被证明是有效的(Musick ＆amp; Trujillo, 1996)。裸露沙面跃移起动的观测方法与粗糙床面相同。
图3-40 风洞跃移起动观测实景(1-摄像头, 2-胶带纸,3-皮托管)(梅凡民等,2020)
用风速廓线仪测定沙粒起动时的风廓线。风廓线仪由高度分别为3.0, 6.0, 10.0,15.0, 30.0, 60.0, 120, 200, 350, 500 mm的10个精细毕托管组成,使用前用标准毕托管标定。风速采集时长60 s,采样频率为1 Hz,用于分析的是60 s内采集风速的平均值。
光滑床面的空气动力学粗糙度Z0s用中性层结下的对数风廓线方程(3-45)拟合计算,其中k为卡门常数,取0.4,U∗为摩阻风速,Z0s为空气动力学粗糙度,UZ为高度为Z处的平均风速。利用风廓线仪分别测定自由风速为6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 m·s-1情况下的风廓线,利用方程(3-46)拟合可得到Z0s并取平均值。同样的,粗糙床面的空气动力学粗糙度Z0也是对方程(3-46)拟合并取平均值。起动摩阻风速U∗t也是根据对数风廓线方程(3-46)拟合并取平均值:
为了评估MB模式和SL模式的相对误差率Er,采用公式(3-47)来表述,其中U∗tm为模拟的起动摩阻风速,U∗to为风洞实验观测的起动摩阻风速。
