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脉动风场下跃移沙粒对风的响应时间

10、干旱区环境与风沙科学 > 专题2：风成过程与地貌演化

当吹过平坦地表的风速超过地表沙粒的临界风速，沙粒从床面起跳进入空中，形成风沙流，是一种典型的气固两相流。风速通常是非稳定的，脉动强烈，湍流含能频率在0.01～1Hz范围内，大风时，其湍流度可达20%以上，由于惯性的影响，风沙流的输沙率对风速变化存在一个滞后时间，称之为风沙流响应时间。对响应时间的准确认识是检验现有风沙流数值模型的关键，同时也是目前越来越受关注的瞬态风沙运动测量仪器设计与应用时确定频率范围的重要依据。本文通过数值模拟的方法分析非定常来流风场中，风沙流响应时间随各种参数（平均风速，频率，振幅、测量高度等）的变化规律通过实验的输沙结果验证模型的正确性，同时用风沙流实时探测系统、SPC以及超声风速仪对野外两种不同地表上不同高度处风速和近地表的输沙强度进行实时同步测量，分析了两种不同粒径地表上测量数据的平均时间尺度对输沙率-风速关系以及输沙率与风速相关性的影响。我们得到随着摩阻风速的增大响应时间减小，且减速过程的滞后时间大于加速过程的滞后时间；输沙对风速的滞后时间随高度也并非单调，呈现先增大后减小的规律；响应时间随周期增大而增大，到20s左右达到一个基本稳定的值，且减速过程的响应时间比加速过程的响应时间要大；分析了湍流度对滞后时间的影响作用，随着湍流度的增大，滞后时间减小，且减速过程比加速过程的滞后时间要长；实验结果给出输沙率-风速拟合参数以及相关系数在900 s之后趋于平稳，提出至少进行15 min时长平均是比较合适的研究野外风沙运动规律的时间尺度；由于地表粒径不同、主导运动方式不同，导致拟合参数随时间尺度的变化规律不一致，意味着分析时间尺度对Q-u关系时不能忽略粒径的影响。