风雪两相流的风洞实验研究

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风吹雪对自然环境和社会经济有着很大的影响。在道路运输方面,风吹雪引起能见度下降和道路积雪,阻碍交通甚至引发交通事故,同时影响流域积雪分布;在山区,风吹雪是形成雪崩的重要因素之一,对基础设施和人类生命安全造成危害;风吹雪还对于草原地区雪水当量的输运以及维持冰原地区海—冰质量平衡具有重要的作用。目前,风吹雪运动的实验研究中往往采用人造雪,压实雪或者替代材料(如沙粒,种子等),这些颗粒材料与天然雪在物理和力学性质上有很大的差异,并不能真实有效的反映出自然条件下的风吹雪运动特征。一些特征量(受到测量仪器的限制)应用在雪崩等预测模型的数值结果与实际测量结果只能达到定性的关系,在定量上还有一定的差距。针对风雪运动中所关注的一些微观和宏观研究内容,结合我国风致积雪的实际问题,开展了对风雪运动机理的微观和宏观方面一些基础物理量进行实验及定量分析研究,主要工作如下:1.利用非接触式测量仪器-颗粒图像测速仪对平坦床面时的风吹雪中雪粒的微观运动进行研究,利用数理统计方法给出了不同风速下空中运动雪粒的速度分布函数的一般形式以及雪粒的平均速度与风速之间的关系。通过对近床面4~10mm范围内的雪粒速度和角度的分析得到风雪运动的重要特征量起跳初速度分布函数的形式和冲击速度分布函数形式以及起跳雪粒与冲击雪粒之间的关系。通过对不同高度处雪粒的速度进行分析后得到雪粒的平均速度廓线和不同粒径的雪粒速度随风速变化的一般函数形式。可由此来确定风吹雪强度随高度的变化情况。2.对图像进行处理后得到雪粒粒径分布情况,再利用上述内容的部分结果推导出风雪运动宏观运动的表现形式,如风吹雪结构和单宽输雪率等这些重要的基础研究内容,给出了单宽输雪率随摩阻风速变化的函数形式以及适应的范围,并将分析结果与野外实验结果进行了比较。通过风吹雪结构的变化给出了雪粒跃移运动的平均高度以及与风速之间的函数关系。3.针对山区等存在高湍流度条件下的风吹雪运动,对不同湍流度下的风吹雪运动进行研究,以得到湍流度对风雪输运的影响。利用集雪仪测量了不同的湍流度下风吹雪结构的廓线形式,并对单宽输雪率随风速和湍流度的变化情况进行了研究。通过分析风吹雪的水平通量和垂直通量的变化情况,得到雪粒的跃移高度和长度的变化规律以及平均跃移高度和长度的变化情况。4.通过对不同沉积时间积雪(新雪和老雪)的起动风速进行测量以及其经过平坦床面时的风吹雪结构进行研究,分析了沉积时间对风吹雪运动的影响,并将实验结果与野外实验结果进行了比较。5.针对我国北方存在公路风雪灾害的现象,对公路路基周围雪粒运动特征和风吹雪结构的变化进行研究,给出了一些定量的结果,这将为制定防治公路发生风致积雪的对策提供科学依据。
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