1、泥沙研究2001年10月JournalofSedimentResearch第5期=i':='IIl=風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"<|.清華大學水利工程系，北京100084;2北京大學環境科學中心，北京100871;3.水沙科學教育部京點實驗室)摘宴：鎏于現有挾沙氣流流速分布研究中對風洞邊壁影響的認識不足.本文通過改變風洞寬度的方法對風洞邊壁的影晌進行了探索性實驗研究在五種寬高比條件下，對風洞斷面挾沙氣流流速分布進行了»*：發現風洞邊壁對挾沙氣流流速分布有較為明顯的影響,在風洞寬高比相同的條件F,斷面內中垂線上

2、的有效祖旋度系數大于其它法線上對應的系數：,從奇近邊壁的垂線到斷面中垂線.各垂線對應的躍移層內區及外區流速分布的上界高度'氣流摩阻速度均逐漸增大'隨看風桐寬扃比的減小，斷面內中垂線上的氣流.摩阻速度與自由流速的比值以及受風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；風洞實撿；寬離比中圖分類號：TV142文獻標識碼：A文章編號：0468-155X(2001)05-0027-061引言風洞是研究風沙運動規律的重要實驗設施,從現有文獻看.世界各國用于風沙實驗研究的各種風洞已有數十座，其寬高比多數在0.20至2.0之間.最小的寬高比僅為0.06。不同風洞內風沙運動

3、特性有何差異？不同風洞內獲得的實騁數據有何比較基礎？風洞邊壁對風沙運動特性有何影響？對于這些問題目前僅有少髭報道，遠未引起足夠的重視；Horikawa和Shenu,在寬高比為0.78的風洞內進行了斷面風速測最,發現受邊壁影響的氣流區域相對較小，在風沙實驗時可以不予考慮。Bellj121在寬高比為1.60的風洞內的測量結果表明.受邊壁影響的氣流區域寬度約占整個斷面寬度的23%,此外.Will,iams3-和Gillelte'J等也都曾測信斷面流速分布，但都沒有探討風洞邊壁對風速分布的影響：由于這些實驗研究大都在某-神給定寬高比的風洞條件下進行.因而無法揭示出不同寬高比的風洞內氣流速度分布

4、間的差異.鑒于此.本文通過改變風洞寬度的方法.在五種寬高比的風洞內測蟄了同一斷面內挾沙氣流流速分布，系統討論了風洞邊壁對斷面內挾沙氣流速度分布的影響，2實驗方法實驗在中國科學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洞內完成。該風洞全長35m.其中實驗段長21m,擴壓段長3m,實驗段標準截面為1.2x1.2m"實驗段和擴壓段底板共由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驗要求從風洞內移去。本實驗充分利用這-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洞邊壁，這樣就可以確保變換寬度后的風洞邊壁與原風洞邊壁之間具有相同的粗槌

5、特征。實驗在5種寬度風洞內進行.其寬度分別為120cmJOOcm.80cm.60cm和40cm,風洞的高度保持不變，均為120cm。風洞變換的具體細節見圖io其中變換尺度后的風洞邊壁的兩端與原風洞邊壁間由Im長的木質五合板連接.邊壁內合金板之間、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。在變換后風洞邊壁與原風洞邊壁間采用加固圓木的辦法以固定變換后的風洞。五種寬度風桐的實驗中都不設鳳金項目：國家自然科學基金資助項目(49625101)“作者簡介：李撤山11北5->,坷，內蒙商都人，博上后、期:200(Hl*03洞底板、并且將成洞內原有的地而下挖6cm厚.再填上實拴用沙

6、76;這樣、每個實撿中床沙厚均為6（m、但床沙表面與風洞內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.實驗結早衷明.該沙粒的起動摩阻速度為27.3on/八定床實驗中風洞寬度和高度均為120cm,實騎中床沙及床面布置情況與120cm寬風洞的動床實驗相應情況完全一致,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速，闡斌斷面選擇在距實驗段前緣13.5m處圖I不同實驗寬度風洞示意圖Fig.1Schematicdiagramofdifferentexperimrnlalwidthsofthewindtunnel在風速測量斷面內從風洞中

7、央至風洞左壁（沿氣流方向）布置4條測量垂線.垂線距風洞左側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.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。為了較為準確地同步測量4條垂線上的風速，實驗中技風速測量垂線位置將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行風速測量。實驗時風洞的電機轉速選定為375轉/分、以確保進風雄在不同實驗中保持不變。3實驗結果及討論3.1風洞內風速垂線分布的分區風速測童結果見圖2、圖中和月分別為測點距床面高度和

8、風洞高度和B分別為測點距風洞左壁距離和風洞寬度，/為風速。對照定床風速測堆結果（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個區域，即躍移層內區、躍移層外區、自由流區和頂壁區（見圖3）。躍移層內區沙粒濃度大而且存在較大的濃度梯度.區內的風速分布已與對數分布有較大偏離、其特點是離床面越近氣流剪切應力越小-躍移層外區氣流中的沙粒濃度較小，沙粒的躍移運動可能只是加強氣流動屆的垂直交換.并不改變氣流動量的擴散規律.因而該區內的流速分布仍然可用對數分布公式描述、自由流區的氣流既不受沙粒運動的影響.也不受風洞頂壁的影響,而與風洞進口風速及流徑的床面K度有關,并且在一定程度上受到風洞邊壁的影

9、響，區內流速在一定范圍內變化不大.往往并沒有嚴格的最大流速點。頂壁區的氣.流流速分布應遵循經典的湍流邊界層流速分布理論、它與風洞內沙粒輸移的關系不大-挾沙氣流主要包括躍移層內、外兩個區域的氣流。五神寬度風洞內共20條動床風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來表征其變化。3.2風洞邊壁對躍移層內區氣流流速分布上界的影響根據文獻7,在不計邊壁影響的條件下.躍移層內區的風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、。.，為臨界氣流摩阻速度，勺為粗糙度*Y為躍移層內風速廓線的上界高度au/g,式中g為敢力加速度為系數。可見y是躍移層內氣流流速分布的主要參

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

11、atcrosbsectionsoffivewindtunnels對于風洞邊壁的影響，圖5清楚地表明了中垂線上的風速分布與同一斷面內其它三條垂線上風速分布的差異，說明中垂線風速受風洞邊壁的影響較其它三條垂線上風速分布受到的影響為小°其它三條垂線上的測點分布區別不明顯。另外，圖5中的湄點分布較散亂.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。這種測點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風洞邊壁對躍移層外區有效粗糙度系敷及氣流流速分布上界的影響根據文獻6,在不計邊壁影響的條件下，躍移層外區的氣流流速分布仍符合對數分布式中C為系數，確定躍移層外區氣流

12、流速分布的參數包括有效粗植度系數C、氣流摩阻速度U,以及躍移層外區流速分布的上界高度n當考慮邊壁影響時.實驗結果（見圖6）表明，邊壁影響的強弱對躍移層外區速度分布公式中的有效粗糙度產生不同的效果。從圖6所示的實驗結果可知風洞中垂線與其它三條垂線的風速實測數據分別落在兩條直線上，說明中垂線風速分布對應的。值較其它三條垂線風速分布的對應值大、由于C是沙粒躍移層外區氣流的有效粗槌度與尻/2g之間的比例系數，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風速分布上界（虹）影響的實驗結果在圖7

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

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

15、lt;mltationlayer有兩個特點見圖8）：（1）越靠近中垂線,摩阻速度越大；（2）風洞寬高比越小,摩阻速度從邊壁到中垂線的增加幅度越大。這反映了風洞邊壁對氣流摩阻速度影響規律。由于氣流摩阻速度與輸沙率有直接關系，因而斷面內氣流摩阻速度的這種變化特點對于風洞內輸沙率的研究有重要意義=在過去不少風沙實驗研究中經常建立風洞斷面或風洞中央一定寬度內的輸沙率與風洞中垂線的氣流摩阻速度之間的關系。圖8說明這種處理方式在風洞寬高比較小時（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（=的變化特點見圖9o風洞寬高比的變化對靠近風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洞寬高比的增大而減小；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為：在風洞寬高比大于0.5時沒有明顯變化，在風桐寬高比小于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，貝洞內中垂線上的氣流輸沙效率隨著風洞寬高比的增大而減小。考慮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風洞內中垂線處的輸沙率會隨著風洞寬高比的增大而顯著減小。中垂線位置往往是實驗中測信各

17、種風沙參數的主要位置。因此,在分析來自不同寬高比風洞的實驗數據時需要考慮風洞內摩阻速度變化的這一特點°圖8風洞邊建對斷面內氣流摩阻速度的影晴Fig.8EflectMofthesidewallsonthewindCncUonvelocityinthecroyctiom*圖8風洞邊建對斷面內氣流摩阻速度的影晴Fig.8EflectMofthesidewallsonthewindCncUonvelocityinthecroyctiom*圖9風洞寬高比與氣波摩阻速度相對值之同的關系Fig.9Relatwnbetweentheratioofwidthtoheightofwindtunnel*a

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

19、點看，可以假定其它垂線上的風速與中垂線上風速之比值大于97%就認為該垂線上的氣流不受邊壁的影響，據此訶以更直觀地表示出受邊壁影響的氣流范圍與風洞寬高比的關系（見圖11）=圖中縱坐標為受一側邊壁影響的氣流厚度與風洞寬度的比值。可以看出，如果B/H=I時.兩個邊壁影響的氣流區域厚度約為整個風洞寬度的50%,當8/"=0.5時斷面內約90%氣流受到邊壁的影響。上述風洞邊壁對斷面氣流的影響特點對分析已有風洞實驗資料以及進行風沙實驗都有一定的應用價值。SW風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洞竟高比的關系Fig.11Relationsbetweenihrthiokne*olairflowafferlrdbythesidewallandaspectratio4結論(1風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，斷面內中垂線上的有效粗糙度系數較其它垂線上對應的系數大；越靠近中垂線、躍移層內區上界高度及躍移層外區的上界高度也越大、(2) 風洞斷面內挾沙氣流摩阻速度從邊壁到中垂線逐漸增大，且風洞寬高比越小.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洞寬高比的增大而減小

21、的特點。(3) 隨著風洞寬高比的減小.風洞邊壁影響的氣流厚度增加,且影響程度也越甚,風洞邊壁對挾沙氣流流速分布的這些影響特點對風沙實羚有一定的參考價值。致謝：本項研究中的風洞實驗濟到了中國科學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.IHorikawa.K.,andShrn»H.W.Saiwimovementbywindaction(onthecharacteristicsofsandtraps).US.BeachErosionBoard,Tech.Mem.No.J19.19(*0.51.2.Belly,P.Y.Sandmovementbywitid(withAddendu

22、mIIbyAAKadib).US.Army,CorpsofEngineers.CoastalEngineeringResearchCenter,T«*rh.Memo.No.1.1964,79.3Williams,G.Son»easpectsoftheevhansalutionload.Srdimenlology.1964,3:3572X7.、4一Gillette,DA.Testswithaportablewindlurntel(ordeierminingwinderosionihreatioldvelocilies.AtmosphericEnvironment,1978,1

23、2：23W2513.5JMcEwan,1.K.Bagnold*skink：aphysicalfeatureofawindvelocityprofilemodifiedbyblownsand?EarthSurfaceProcessesandLandfomu*.1993.18:145156.6Owen.P.R.Saltationofunifontigrainsinatr.JournalofFluidMechanics.1964.20；225242."7：倪腎仁，李振山.近床面區挾沙氣流流速垂線分布特征.泥沙研究，2001,3:16-24.8：河村龍馬.飛砂©的研究.東京大學理工

24、學研究所報告.1951.5(3/4)：95112.f9,Bagnold.R.A-ThePhysicsofBlownSandandDesertDunes.London：Methuen.1941.5765.SidewallEffectsofWindTunnelsonVelocityProfilesinBlown-SandFlowLIZhen-shan1'',NIJin-ren2,1,WANGGuang-qian1,3(I.hpartTneniqfHydiaibcEntnervFsuighual:rutemty,Bcyuxg100084Churn:2On/rrfarEmuxww/UalScnc,PekmgUntxmUy,Beyuig100871Chuui:3-TheKeyZ/xoxoryqfWaierandSedimeruSaonres.Afi/iuxry(/E<iucatiM,China)Abstract:Thispaperpresentedthesidewalleffectsofwin