風(fēng)洞邊壁對挾沙氣流流速分布的影響.docx

1、泥沙研究2001年10月JournalofSedimentResearch第5期=i':='IIl=風(fēng)洞邊壁對挾沙氣流流速分布的影響李振山"，倪晉仁2占，王光謙"<|.清華大學(xué)水利工程系，北京100084;2北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)中心，北京100871;3.水沙科學(xué)教育部京點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)摘宴：鎏于現(xiàn)有挾沙氣流流速分布研究中對風(fēng)洞邊壁影響的認(rèn)識不足.本文通過改變風(fēng)洞寬度的方法對風(fēng)洞邊壁的影晌進(jìn)行了探索性實(shí)驗(yàn)研究在五種寬高比條件下，對風(fēng)洞斷面挾沙氣流流速分布進(jìn)行了»*：發(fā)現(xiàn)風(fēng)洞邊壁對挾沙氣流流速分布有較為明顯的影響,在風(fēng)洞寬高比相同的條件F,斷面內(nèi)中垂線上

2、的有效祖旋度系數(shù)大于其它法線上對應(yīng)的系數(shù)：,從奇近邊壁的垂線到斷面中垂線.各垂線對應(yīng)的躍移層內(nèi)區(qū)及外區(qū)流速分布的上界高度'氣流摩阻速度均逐漸增大'隨看風(fēng)桐寬扃比的減小，斷面內(nèi)中垂線上的氣流.摩阻速度與自由流速的比值以及受風(fēng)洞邊壁也響的氣流厚度均增大.美覆詞：邊壁影響；挾沙氣流；流速分布；風(fēng)洞實(shí)撿；寬離比中圖分類號：TV142文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：0468-155X(2001)05-0027-061引言風(fēng)洞是研究風(fēng)沙運(yùn)動規(guī)律的重要實(shí)驗(yàn)設(shè)施,從現(xiàn)有文獻(xiàn)看.世界各國用于風(fēng)沙實(shí)驗(yàn)研究的各種風(fēng)洞已有數(shù)十座，其寬高比多數(shù)在0.20至2.0之間.最小的寬高比僅為0.06。不同風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)沙運(yùn)動

3、特性有何差異？不同風(fēng)洞內(nèi)獲得的實(shí)騁數(shù)據(jù)有何比較基礎(chǔ)？風(fēng)洞邊壁對風(fēng)沙運(yùn)動特性有何影響？對于這些問題目前僅有少髭報道，遠(yuǎn)未引起足夠的重視；Horikawa和Shenu,在寬高比為0.78的風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行了斷面風(fēng)速測最,發(fā)現(xiàn)受邊壁影響的氣流區(qū)域相對較小，在風(fēng)沙實(shí)驗(yàn)時可以不予考慮。Bellj121在寬高比為1.60的風(fēng)洞內(nèi)的測量結(jié)果表明.受邊壁影響的氣流區(qū)域?qū)挾燃s占整個斷面寬度的23%,此外.Will,iams3-和Gillelte'J等也都曾測信斷面流速分布，但都沒有探討風(fēng)洞邊壁對風(fēng)速分布的影響：由于這些實(shí)驗(yàn)研究大都在某-神給定寬高比的風(fēng)洞條件下進(jìn)行.因而無法揭示出不同寬高比的風(fēng)洞內(nèi)氣流速度分布

4、間的差異.鑒于此.本文通過改變風(fēng)洞寬度的方法.在五種寬高比的風(fēng)洞內(nèi)測蟄了同一斷面內(nèi)挾沙氣流流速分布，系統(tǒng)討論了風(fēng)洞邊壁對斷面內(nèi)挾沙氣流速度分布的影響，2實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)在中國科學(xué)院蘭州沙漠研究所沙坡頭沙漠研究站的直流吹氣式活動風(fēng)洞內(nèi)完成。該風(fēng)洞全長35m.其中實(shí)驗(yàn)段長21m,擴(kuò)壓段長3m,實(shí)驗(yàn)段標(biāo)準(zhǔn)截面為1.2x1.2m"實(shí)驗(yàn)段和擴(kuò)壓段底板共由8塊3m長、與洞體材料一致的合金板拼接而成，且直接落在地面上。每塊合金板都可按實(shí)驗(yàn)要求從風(fēng)洞內(nèi)移去。本實(shí)驗(yàn)充分利用這-條件，將全部底板移去并將其與備用底板一起作為變換寬度后的風(fēng)洞邊壁，這樣就可以確保變換寬度后的風(fēng)洞邊壁與原風(fēng)洞邊壁之間具有相同的粗槌

5、特征。實(shí)驗(yàn)在5種寬度風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行.其寬度分別為120cmJOOcm.80cm.60cm和40cm,風(fēng)洞的高度保持不變，均為120cm。風(fēng)洞變換的具體細(xì)節(jié)見圖io其中變換尺度后的風(fēng)洞邊壁的兩端與原風(fēng)洞邊壁間由Im長的木質(zhì)五合板連接.邊壁內(nèi)合金板之間、五合板與合金板之間以及邊壁與頂壁之間的接縫處均粘貼膠帶紙。在變換后風(fēng)洞邊壁與原風(fēng)洞邊壁間采用加固圓木的辦法以固定變換后的風(fēng)洞。五種寬度風(fēng)桐的實(shí)驗(yàn)中都不設(shè)鳳金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(49625101)“作者簡介：李撤山11北5->,坷，內(nèi)蒙商都人，博上后、期:200(Hl*03洞底板、并且將成洞內(nèi)原有的地而下挖6cm厚.再填上實(shí)拴用沙

6、76;這樣、每個實(shí)撿中床沙厚均為6（m、但床沙表面與風(fēng)洞內(nèi)部頂壁的距離仍保持120cm-床沙是由平均粒徑為0.35mm的沙粒組成.實(shí)驗(yàn)結(jié)早衷明.該沙粒的起動摩阻速度為27.3on/八定床實(shí)驗(yàn)中風(fēng)洞寬度和高度均為120cm,實(shí)騎中床沙及床面布置情況與120cm寬風(fēng)洞的動床實(shí)驗(yàn)相應(yīng)情況完全一致,床沙厚.仍為6cm,只是為了保持床面不起沙而將床面用水噴濕.采用畢托骨連接微氏計測量風(fēng)速，闡斌斷面選擇在距實(shí)驗(yàn)段前緣13.5m處圖I不同實(shí)驗(yàn)寬度風(fēng)洞示意圖Fig.1Schematicdiagramofdifferentexperimrnlalwidthsofthewindtunnel在風(fēng)速測量斷面內(nèi)從風(fēng)洞中

7、央至風(fēng)洞左壁（沿氣流方向）布置4條測量垂線.垂線距風(fēng)洞左側(cè)的距離與鳳洞寬度之比分別為0.05、0.15.0.30和0.50每條垂線上均布置12個測點(diǎn).距床面的高度分別為0.25、0.5、1.0、2、5.10、20、40、60、80、100、115和119cm。為了較為準(zhǔn)確地同步測量4條垂線上的風(fēng)速，實(shí)驗(yàn)中技風(fēng)速測量垂線位置將4個畢托管焊接在一條直徑約為5mm的硬質(zhì)空心合金管上、然后采用沿垂直方向上提升合金管的方法進(jìn)行風(fēng)速測量。實(shí)驗(yàn)時風(fēng)洞的電機(jī)轉(zhuǎn)速選定為375轉(zhuǎn)/分、以確保進(jìn)風(fēng)雄在不同實(shí)驗(yàn)中保持不變。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論3.1風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)速垂線分布的分區(qū)風(fēng)速測童結(jié)果見圖2、圖中和月分別為測點(diǎn)距床面高度和

8、風(fēng)洞高度和B分別為測點(diǎn)距風(fēng)洞左壁距離和風(fēng)洞寬度，/為風(fēng)速。對照定床風(fēng)速測堆結(jié)果（圖2A）可以看出，動床條件下的氣鷹流速垂線分布可概括地劃為4個區(qū)域，即躍移層內(nèi)區(qū)、躍移層外區(qū)、自由流區(qū)和頂壁區(qū)（見圖3）。躍移層內(nèi)區(qū)沙粒濃度大而且存在較大的濃度梯度.區(qū)內(nèi)的風(fēng)速分布已與對數(shù)分布有較大偏離、其特點(diǎn)是離床面越近氣流剪切應(yīng)力越小-躍移層外區(qū)氣流中的沙粒濃度較小，沙粒的躍移運(yùn)動可能只是加強(qiáng)氣流動屆的垂直交換.并不改變氣流動量的擴(kuò)散規(guī)律.因而該區(qū)內(nèi)的流速分布仍然可用對數(shù)分布公式描述、自由流區(qū)的氣流既不受沙粒運(yùn)動的影響.也不受風(fēng)洞頂壁的影響,而與風(fēng)洞進(jìn)口風(fēng)速及流徑的床面K度有關(guān),并且在一定程度上受到風(fēng)洞邊壁的影

9、響，區(qū)內(nèi)流速在一定范圍內(nèi)變化不大.往往并沒有嚴(yán)格的最大流速點(diǎn)。頂壁區(qū)的氣.流流速分布應(yīng)遵循經(jīng)典的湍流邊界層流速分布理論、它與風(fēng)洞內(nèi)沙粒輸移的關(guān)系不大-挾沙氣流主要包括躍移層內(nèi)、外兩個區(qū)域的氣流。五神寬度風(fēng)洞內(nèi)共20條動床風(fēng)速廓線可以概括地用圖3所示的模式來說明.并通過若干影響分布的參數(shù)來表征其變化。3.2風(fēng)洞邊壁對躍移層內(nèi)區(qū)氣流流速分布上界的影響根據(jù)文獻(xiàn)7,在不計邊壁影響的條件下.躍移層內(nèi)區(qū)的風(fēng)速廓線方程可表示為式中U.為躍移層外氣流摩阻速度M為卡門常數(shù)、。.，為臨界氣流摩阻速度，勺為粗糙度*Y為躍移層內(nèi)風(fēng)速廓線的上界高度au/g,式中g(shù)為敢力加速度為系數(shù)?？梢妝是躍移層內(nèi)氣流流速分布的主要參

10、數(shù)。在考慮邊壁影響的條件下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明（見圖4）：雖然躍移層內(nèi)區(qū)的風(fēng)速廓線仍可用方程（1）表示.但是躍移層內(nèi)區(qū)風(fēng)速廓線的上界高度卻因風(fēng)洞寬高比的不同而有明顯的變化。由圖4可見,躍移層內(nèi)區(qū)的風(fēng)速分布上界越靠近中垂線越高；當(dāng)風(fēng)洞寬高比小于0.50時,這種變化趨勢尤其明顯。說明風(fēng)洞寬高比越小,風(fēng)洞邊壁對躍移層內(nèi)風(fēng)速分布影響越大,圖3風(fēng)洞內(nèi)挾沙氣流流速垂線分布分區(qū)示意圖Fig.3FoursegmentsiuwindvelocilyprofilesdunngsaltMlioninwindtiinnris圖2五種寬度風(fēng)洞斷面內(nèi)各條垂線上it建分布實(shí)測結(jié)果Fig.2Windvelocityprofiles

11、atcrosbsectionsoffivewindtunnels對于風(fēng)洞邊壁的影響，圖5清楚地表明了中垂線上的風(fēng)速分布與同一斷面內(nèi)其它三條垂線上風(fēng)速分布的差異，說明中垂線風(fēng)速受風(fēng)洞邊壁的影響較其它三條垂線上風(fēng)速分布受到的影響為小°其它三條垂線上的測點(diǎn)分布區(qū)別不明顯。另外，圖5中的湄點(diǎn)分布較散亂.這一方面可能受到氣流中沙粒濃度的影響，另一方面也可能與測筮精度有關(guān)。這種測點(diǎn)分布較散亂情況在下文中的圖6也有一定程度的反映。3.3風(fēng)洞邊壁對躍移層外區(qū)有效粗糙度系敷及氣流流速分布上界的影響根據(jù)文獻(xiàn)6,在不計邊壁影響的條件下，躍移層外區(qū)的氣流流速分布仍符合對數(shù)分布式中C為系數(shù)，確定躍移層外區(qū)氣流

12、流速分布的參數(shù)包括有效粗植度系數(shù)C、氣流摩阻速度U,以及躍移層外區(qū)流速分布的上界高度n當(dāng)考慮邊壁影響時.實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見圖6）表明，邊壁影響的強(qiáng)弱對躍移層外區(qū)速度分布公式中的有效粗糙度產(chǎn)生不同的效果。從圖6所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知風(fēng)洞中垂線與其它三條垂線的風(fēng)速實(shí)測數(shù)據(jù)分別落在兩條直線上，說明中垂線風(fēng)速分布對應(yīng)的。值較其它三條垂線風(fēng)速分布的對應(yīng)值大、由于C是沙粒躍移層外區(qū)氣流的有效粗槌度與尻/2g之間的比例系數(shù)，從而說明了在同樣的氣流摩阻速度條件下，中垂線上有效粗糙度比其它垂線上的有效租植度要高.另外.圖6還說明其它三條垂線上的有效粗推度相差不顯著。邊壁對于躍移層外區(qū)風(fēng)速分布上界（虹）影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在圖7

13、中得到了反映。由圖可見.越靠近中垂線，如越大°這與躍移層內(nèi)區(qū)風(fēng)速分布上界的變化趨勢類似。表明風(fēng)洞邊壁對挾沙氣流的發(fā)育有較強(qiáng)的抑制作用。3.4風(fēng)洞邊壁對氣流摩阻速度的影響通常將躍移層外區(qū)氣流摩阻速度視為挾沙氣流的摩阻速度風(fēng)洞斷面內(nèi)挾沙氣流摩阻速度的變化圖4風(fēng)洞邊壁對躍移層內(nèi)區(qū)上界高度的影響Fig.4Effpclsofthesidewallsonupper-edgeheights<jTtheinnersaltalioulayer圖4風(fēng)洞邊壁對躍移層內(nèi)區(qū)上界高度的影響Fig.4Effpclsofthesidewallsonupper-edgeheights<jTtheinner

14、saltalioulayer圖6風(fēng)滑邊壁對躍移房外區(qū)汽流諼速分布中有效粗健度系敷C的贓岫Fig.6EffeebofthesidewallsontherflifclivewughnessiutheouirrsaltationlayerUiU.BBS風(fēng)洞邊壁對躍移層內(nèi)氣流流速垂線分布的影響Fig.5Efieclsofthesidewallsonwindveloeiiydistnbuljonbintheinnersallatinnla>er圖7風(fēng)洞邊壁對躍移層外區(qū)風(fēng)速分布上界高度的呼Fig.7Effrctxofthesidewallsonupper-edgeheightsoftheoutrr&

15、lt;mltationlayer有兩個特點(diǎn)見圖8）：（1）越靠近中垂線,摩阻速度越大；（2）風(fēng)洞寬高比越小,摩阻速度從邊壁到中垂線的增加幅度越大。這反映了風(fēng)洞邊壁對氣流摩阻速度影響規(guī)律。由于氣流摩阻速度與輸沙率有直接關(guān)系，因而斷面內(nèi)氣流摩阻速度的這種變化特點(diǎn)對于風(fēng)洞內(nèi)輸沙率的研究有重要意義=在過去不少風(fēng)沙實(shí)驗(yàn)研究中經(jīng)常建立風(fēng)洞斷面或風(fēng)洞中央一定寬度內(nèi)的輸沙率與風(fēng)洞中垂線的氣流摩阻速度之間的關(guān)系。圖8說明這種處理方式在風(fēng)洞寬高比較小時（如小于0.5）會帶來很大誤差：以自由流速（用表示）作為參考速度.氣流摩阻速度的相對值（=的變化特點(diǎn)見圖9o風(fēng)洞寬高比的變化對靠近風(fēng)洞邊壁的兩條垂線上的氣流摩阻速度

16、的相對值沒有影響；中垂線上的氣流摩阻速度相時值隨風(fēng)洞寬高比的增大而減??；在y/夕=0.3的垂線上.氣流摩阻速度相對值隨寬高比的變化表現(xiàn)為：在風(fēng)洞寬高比大于0.5時沒有明顯變化，在風(fēng)桐寬高比小于0.5時變化明顯。摩阻速度的大小反映了輸沙率大小，而自由流速則由來流速度控制，因此摩阻速度的相對值可以反映氣流輸沙效率的高低c其值越大表示氣流輸沙效率越高.，由此說明，貝洞內(nèi)中垂線上的氣流輸沙效率隨著風(fēng)洞寬高比的增大而減小?？紤]到輸沙率與氣流摩阻速度的立方成正比（如Bagnold輸沙率公式）.因而即使在相同的自由流速條件F風(fēng)洞內(nèi)中垂線處的輸沙率會隨著風(fēng)洞寬高比的增大而顯著減小。中垂線位置往往是實(shí)驗(yàn)中測信各

17、種風(fēng)沙參數(shù)的主要位置。因此,在分析來自不同寬高比風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時需要考慮風(fēng)洞內(nèi)摩阻速度變化的這一特點(diǎn)°圖8風(fēng)洞邊建對斷面內(nèi)氣流摩阻速度的影晴Fig.8EflectMofthesidewallsonthewindCncUonvelocityinthecroyctiom*圖8風(fēng)洞邊建對斷面內(nèi)氣流摩阻速度的影晴Fig.8EflectMofthesidewallsonthewindCncUonvelocityinthecroyctiom*圖9風(fēng)洞寬高比與氣波摩阻速度相對值之同的關(guān)系Fig.9Relatwnbetweentheratioofwidthtoheightofwindtunnel*a

18、ridwindfrictionvelocities3.5風(fēng)洞邊壁對自由流區(qū)氣流的影響自由流區(qū)的氣流不受風(fēng)洞床面和風(fēng)洞頂壁的影響，只受風(fēng)洞邊壁的影響，因而從風(fēng)洞邊壁對自由流區(qū)氣流的影響范圍很容易確定風(fēng)洞邊壁對整個斷面內(nèi)氣流的影響范圍。以相對高度（z/V）為0.64處的風(fēng)速為例，風(fēng)洞邊壁對自由流區(qū)氣流的影響情形見圖10,圖中縱坐標(biāo)是各條垂線上的風(fēng)速與中垂統(tǒng)上風(fēng)速之比值：為了與以往實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，圖中也點(diǎn)繪了Horikawa和Shen"及Bell必的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、二者風(fēng)速數(shù)據(jù)的測量高度（z/H）分別為0.63和0.40?？梢?，風(fēng)洞寬高比越小,風(fēng)洞邊壁影響氣流的厚度越大,影響程度也越甚。從實(shí)用的觀

19、點(diǎn)看，可以假定其它垂線上的風(fēng)速與中垂線上風(fēng)速之比值大于97%就認(rèn)為該垂線上的氣流不受邊壁的影響，據(jù)此訶以更直觀地表示出受邊壁影響的氣流范圍與風(fēng)洞寬高比的關(guān)系（見圖11）=圖中縱坐標(biāo)為受一側(cè)邊壁影響的氣流厚度與風(fēng)洞寬度的比值?？梢钥闯?，如果B/H=I時.兩個邊壁影響的氣流區(qū)域厚度約為整個風(fēng)洞寬度的50%,當(dāng)8/"=0.5時斷面內(nèi)約90%氣流受到邊壁的影響。上述風(fēng)洞邊壁對斷面氣流的影響特點(diǎn)對分析已有風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)資料以及進(jìn)行風(fēng)沙實(shí)驗(yàn)都有一定的應(yīng)用價值。SW風(fēng)洞邊案對自由流速的影響Fig.10Efiect?ofthesidewallsonfreestreamwindvnl(x：iue«

20、圖11受邊壁影響的氣流厚度與風(fēng)洞竟高比的關(guān)系Fig.11Relationsbetweenihrthiokne*olairflowafferlrdbythesidewallandaspectratio4結(jié)論(1風(fēng)洞邊壁對挾沙氣流流速分布有較為明顯的影響。在寬扃比相同的條件下，斷面內(nèi)中垂線上的有效粗糙度系數(shù)較其它垂線上對應(yīng)的系數(shù)大；越靠近中垂線、躍移層內(nèi)區(qū)上界高度及躍移層外區(qū)的上界高度也越大、(2) 風(fēng)洞斷面內(nèi)挾沙氣流摩阻速度從邊壁到中垂線逐漸增大，且風(fēng)洞寬高比越小.增大的幅度越大。中垂線上的氣流摩阻速度與自由流速的比值隨風(fēng)洞寬高比的增大而減小反映了中垂線上氣流的輸沙效率隨著風(fēng)洞寬高比的增大而減小

21、的特點(diǎn)。(3) 隨著風(fēng)洞寬高比的減小.風(fēng)洞邊壁影響的氣流厚度增加,且影響程度也越甚,風(fēng)洞邊壁對挾沙氣流流速分布的這些影響特點(diǎn)對風(fēng)沙實(shí)羚有一定的參考價值。致謝：本項(xiàng)研究中的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)濟(jì)到了中國科學(xué)院蘭州沙漠研究所沙坡去沙漠研究站的大力支持參考文獻(xiàn).IHorikawa.K.,andShrn»H.W.Saiwimovementbywindaction(onthecharacteristicsofsandtraps).US.BeachErosionBoard,Tech.Mem.No.J19.19(*0.51.2.Belly,P.Y.Sandmovementbywitid(withAddendu

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