垂直点阵集沙仪的集沙效率

垂直点阵集沙仪是挟沙气流中输沙量垂线分布测量的主要仪器。各类垂直点阵集沙仪的集沙效率有所不同 ,因而相应获取的实测资料之精度也差异较大。作者将大量实测输沙量垂线分布数据与获取这些数据的集沙仪类型相联系 ,分析了各类垂直点阵集沙仪的集沙效率 ,发现在近床面区各种集沙仪的集沙效率都较低且相差较大 ;远离近床面区集沙效率都较高但差别很小 ;集沙效率随着距床面高度的增加而急剧增高。文中提出了“集沙效率指标” ,即用近床面区实测输沙量分布与上段输沙量确定的分布在近床面区外延计算值之间的偏离程度来反映各种集沙仪的集沙效率变化特征。在风速和沙粒粒径相似的条件下 ,集沙效率指标值越大 ,对应的集沙效率也越高。单管集沙仪的集沙效率最高 ,一般点阵式集沙仪的集沙效率次之 ,台阶式点阵集沙仪的集沙效率最低。集沙效率指标随集沙仪类型的变化主要受集沙仪中单个进沙口高度影响 ,反映了集沙仪内部排气状况的重要性。通过对气流速度和沙粒粒径等因素对集沙效率影响的讨论 ,提出了可以通过改善近床面区集沙条件、减小集沙仪进沙口高度等方法来提高集沙效率的建议 ,这些对进一步研制高效的集沙仪都具有参考价值。

近地层沙尘水平通量与集沙效率野外观测分析

沙漠是沙尘物质的重要源区,沙漠近地层沙尘水平通量的测量与研究是认识沙尘输送过程、评估风沙活动强度的基础。集沙仪是测量沙尘水平通量的最重要手段之一,被广泛应用于各种观测试验中。集沙效率是集沙仪最重要的参数,是校正沙尘水平通量测量数据的依据。选择塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区的典型平沙面为观测点,利用全自动高精度集沙仪,H-11B型Sensit风蚀传感器、10 m气象塔,于2010.7-2010.8月开展了野外观测试验,基于观测数据对全自动集沙仪的集沙效率、近地层沙尘水平通量进行了分析研究。结果表明:相同时段内,集沙总量与Sensit风蚀传感器所记录的跃移颗粒数具有较好的线性关系,R^2值平均为0.6053;全自动集沙仪在5 cm高度上的平均集沙效率为94.3%;观测期间,不同沙尘天气过程的沙尘输送量存在显著差异,通过宽2 cm×高5 cm截面的最大沙尘水平通量为190.335 kg,最小为1.2 kg;5 cm高度上的跃移输沙率总体上随着风速的增加而增大,但其中有部分天气时段输沙率随风速的变化不一致,而此情况下对应时段的地表温度明显更大。

流场中集沙仪集沙效率的数值模拟

以管状集沙仪为例,数值模拟了它在风沙流结构中的流动特征以及集沙效率。为了使模拟更加符合真实情况,对计算区域的网格进行加密,计算了集沙仪周围的风场,并分析了网格划分对计算结果的影响。通过分析计算结果,讨论了不同薄膜渗透率对集沙仪周围风场流动特征的影响,以及不同渗透率下不同粒径沙粒的轨迹以及集沙效率。在模拟集沙效率时发现集沙仪薄膜的渗透率是影响集沙效率的一个重要参数,通过分析结果,发现选择集沙仪薄膜的时候应选择渗透率,这样随着沙粒粒径的变化,集沙效率变化趋于稳定。有两个影响集沙效率的重要因素:粒径和集沙仪进口处的流线。当颗粒粒径相对较大的时候,惯性起主要作用,对于粒径大于200μm的沙粒来说,集沙效率几乎都在90%;当颗粒粒径相对较小的时候,流线起主要作用。

分流对冲式集沙仪设计与性能试验

集沙仪是观测风沙流结构和研究风沙移动规律的必备仪器。针对强风环境下集沙仪内部风沙的有效分离问题,提出了分流气体对冲法,设计了分流对冲式集沙仪,阐述了分流气体对冲法的设计原理和分流对冲式集沙仪的参数分析理论,并在利用Fluent软件对其风沙分离器进行数值模拟的基础上进行了风洞试验验证和性能分析。结果表明,采用该方法的分流对冲式集沙仪具备了较高的降速性能和抗强风性能,排气口风速降幅达88.44%,排沙口风速降幅达90%,保证了集沙仪内部风沙的有效分离,平均集沙效率达90.15%,等动力性达93.27%,符合集沙仪设计的基本原则,制作成本低,能较好地满足风洞试验和风蚀观测要求。

分流对冲与多级扩容组合式自动集沙仪设计与试验

针对强风时自动集沙仪测量精度和集沙效率受扰动问题,提出了分流对冲与多级扩容组合降速法,设计了分流对冲与多级扩容组合式自动集沙仪,阐述了风沙分离器和数据无线采集系统的设计原理,并对风沙分离器降速及分离性能、集沙仪抗强风干扰性能和集沙效率等进行了试验分析。结果表明,分流对冲与多级扩容组合式自动集沙仪具备了抗强风干扰性能,可实时、连续和远距离无线采集数据,自由旋转的起动风速为4.23 m/s,等动力性为92.94%,平均集沙效率为90.42%,当风速低于18 m/s时,粒径55.36μm以上的土样只要进入集沙仪,就可被完全收集;数据无线采集系统的供电续航能力达31 h以上,无障碍时信号传输距离为208.51 m,可较好地满足土壤风蚀量的自动观测需求。

分流对冲与多级扩容组合式集沙仪内风沙分离规律研究

为揭示风沙在集沙仪内部的分离规律,以分流对冲与多级扩容组合式集沙仪风沙分离器为研究模型,通过Fluent数值模拟和微型风洞试验,对风沙分离器内单相流场和气固两相流场进行了分析。在阐释气流降速机理的基础上,进一步分析了气流降速和入口气流中沙尘所占体积分数对风沙分离的影响,并通过分析沙尘的运动规律,阐述了不同粒径沙尘受流场影响的情况。结果表明,气流大幅降速是实现风沙分离的最有效方法,而引起气流速度大幅降低的主要原因是较大值的湍动能场的大范围形成;对于风沙流,当沙尘含量增高时,降速效果变好,风沙分离效果也变好;当沙尘含量进一步增高时,降速及风沙分离效果则变化不大;对于分流对冲与多级扩容组合式集沙仪,当沙尘受强风以下风力影响时,粒径小于0.032 41 mm的沙尘较易受到流场的诱导,受惯性运动的影响较小,从排气口排出的可能性较大,是影响风沙分离效率和集沙效率的主要粒子。

集沙仪的研究现状与思考

简要叙述了国内外集沙仪的研究现状,结合目前在土壤风蚀研究中使用的多种不同形式的集沙仪无采样性能的标定,对采集数据的影响很大,由此造成根据采样数据研究得出的土壤风蚀规律不一定能够反映真实情况。为此,针对近床面区集沙效率是研究集沙仪性能的关键,探讨了影响集沙仪采集性能的主要因素:排气口面积、排气口位置、进沙口的高宽比和进沙通道的长度参数。

旋风分离式集沙仪设计与试验研究

根据旋风分离原理,以集沙仪的关键参数(本体直径、入口截面宽度和锥体段高度)为结构参数进行了设计。为了提高集沙效率,本体直径设计为50mm,入口截面宽度和锥体段高度均按旋风分离性能指标和比例要求设计。在风蚀风洞内的沙尘采集试验表明,该集沙仪对0.3～0.076mm的土样进行收集,不同风速下其集沙效率均在83%以上。旋风分离式集沙仪可用于保护性耕作抗风蚀效果的测试,为其有效实施提供科学依据。

新型农田风蚀集沙仪性能试验研究

从设计集沙仪的基本原则入手,介绍了新型农田风蚀集沙仪的结构及工作原理,并利用Fluent软件对集沙仪风沙分离器进行了数值模拟。从数值模拟结果看,排气口和排沙口气流降幅约90%左右。经0FDY-1.2移动式风蚀风洞试验验证,结果表明:新型农田风蚀集沙仪的大幅度降速性能为提高集沙效率起到了关键作用,平均集沙效率达92.29%,等动力性达95.8%,能较好地满足了风洞试验和风蚀观测要求。

新型平口式集沙仪对不同粒级颗粒的收集效率

目前,国内缺少对集沙仪集沙效率问题的深入研究。采用风洞实验手段,就新型平口式集沙仪对不同粒级颗粒的收集效率进行了研究。结果表明:该集沙仪对1~0.85、0.85~0.5、0.5~0.25、0.5~0.1、0.25~0.1、0.1~0.05、<0.1、<0.05 mm粒级颗粒的平均收集效率分别为54.9%、59.6%、69.7%、52.6%、24.6%、21.0%、17.7%、13.2%,表现出对>0.25mm粒级颗粒收集效率较高、对<0.25mm粒级颗粒收集效率较低的特点。该集沙仪的集沙效率不是随着颗粒粒级增大而一直增大的,而是在0.5mm左右存在一个峰值。集沙仪的集沙效率没有表现出随风速变化的明显规律性,与各粒级颗粒风蚀强度之间也没有必然的联系。造成集沙仪对不同粒级颗粒收集效率差距较大的原因可能是不同粒级颗粒运动状态的差异和沙网孔径的大小。