风沙流中,沙粒由于运动会带有不同极性以及不同大小的电量,进而带电沙粒的运动会形成风沙电场。沙粒带电以及风沙电场对沙粒临界摩阻风速、沙粒运动以及输沙量均有不同程度的影响,不仅如此,已有研究表明沙粒带电对电磁波有着显著衰减且影响沙尘暴中电磁波信号的准确传输,同时沙粒带电还影响地貌形成过程。沙粒带电影响程度与沙粒的带电量极性以及带电量大小相关,而沙粒如何带电、带电量大小如何计算等是风沙电研究中的基础科学问题。因而,本文针对风沙流中沙粒带电机制以及风沙流中的风沙电展开研究。沙粒的组成成分主要为二氧化硅,针对相同材料颗粒的碰撞带电现象,开展了毫米量级Si02颗粒之间以及颗粒与平板之间的单次碰撞带电实验,结果表明颗粒-颗粒单次碰撞过程中被冲击颗粒的带电量随着冲击速度以及冲击粒径的增加先增加后减小；颗粒-平板单次碰撞过程中平板的带电量随着冲击速度以及冲击粒径的增加而增加。颗粒之间碰撞实验研究的空缺导致已有接触带电模型无法得以直接的验证,而我们的实验填补了这一空缺。同时,开展了沙粒荷质比的野外和风洞实验测量。野外实验和风洞实验得到的荷质比量级一致,且风洞实验表明荷质比随着高度的增加先减小后增加,随着风速的增加而增加。基于高能态束缚空穴转移机制,提出了风沙运动中一种沙粒非对称接触带电机制。假设沙粒碰撞过程中净电荷量与颗粒接触面积差成正比,结合弹塑性碰撞接触模型,计算了颗粒-颗粒以及颗粒-平板碰撞过程中的净电荷量,结果表明净电荷量与颗粒粒径、速度有关。当碰撞速度大于弹性碰撞的临界速度时,颗粒之间会发生塑性变形,塑性变形进一步影响颗粒间的接触面积差,因此在颗粒-颗粒碰撞过程中,被冲击颗粒的净电荷量随着颗粒碰撞速度的增加先增加后减小已有的接触带电模型并不能较好地描述接触带电量与冲击速度、颗粒粒径等之间的关系,而结合弹塑性接触理论,我们的模型能够较好地预测颗粒间碰撞带电的实验规律。进一步地,本文建立的接触带电模型可预测百微米沙粒之间碰撞后的带电量以及局部带电区域的大小,这样便可分析局部带电沙粒对电磁波衰减的影响。风沙流中跃移沙粒冲击床面的过程是一个随机过程。由于沙粒的接触电量与冲击速度、沙粒粒径等有关,因此粒床碰撞时反弹沙粒的净电荷量也是随机分布的。基于DEM方法模拟了混合粒径床面的粒床碰撞过程,根据高能态束缚空穴转移机制的非对称接触带电模型,计算得到的跃移沙粒冲击床面反弹后的净电荷量也是一个随机变量,跟冲击速度、冲击角度、冲击颗粒粒径、接触颗粒粒径以及接触角度以及碰撞前的带电量等相关。结果表明当碰撞前沙粒不带电时,反弹沙粒的荷质比的概率密度分布能够反应“大颗粒带正电小颗粒带负电”的规律；当碰撞前颗粒带电时,反弹沙粒的荷质比的概率密度分布与颗粒带电明显有关。最后,模拟了带电沙粒的风沙流发展过程,包括单一粒径和混合粒径两种情形。单一粒径风沙流模拟时没有引入沙粒接触带电机制,假定所有颗粒带电量相同,分析了粒径、风速和荷质比三要素对单宽输沙率的影响,并给出了一个普适的单宽输沙率公式。模拟混合粒径风沙流时,考虑了垂向脉动风速,分析了输沙率沿高度分布的影响。结合非对称接触电模型考虑粒床碰撞中沙粒间的非对称接触带电,模拟得到沙粒的带电量。通过统计荷质比沿高度的分布以及荷质比随风速的变化规律,得出“大颗粒带正电、小颗粒带负电”的结论,且荷质比统计结果与实验规律吻合较好。综上所述,本文从理论和实验两方面研究了沙粒碰撞带电现象,这有利于深入地理解风沙环境如风沙流中的风沙电现象及其影响；单一粒径的单宽输沙率公式这一普适公式可有利于统一已有的输沙率公式且便于预测输沙率,同时混合粒径风沙流可预测了风沙流中荷质比沿高度分布的规律以及荷质比随风速的变化,为风沙流中的风沙电提供了有价值的理论依据。