第三章 单颗沙粒在风中的运动

地貌学家了然于地貌形成过程所需的悠长岁月,他们有理由对物理学家和化学家是否能在实验室中模拟这些形成过程提出怀疑。因此他们通常是不赞成实验方法进行研究的。
——拜格诺

第一节 沙粒的起动

一、沙粒的起动机制

埃克斯纳:沙粒脱离地表运动是气流的湍流扩散作用的结果。
冯 卡曼、昆奈和米哈依洛瓦:湍流的垂直分速度脉动对于引起颗粒从地表上升是很重要的。反对意见者,湍流的垂直分量远比水平分量小,粗略是1/5.
比萨尔和尼尔森:根据湍流频谱分析,提出了振动理论。沙粒运动是由于压力波动所引起的冲击力所造成的。
莱尔斯和克劳斯:颗粒振动频率与包含最大湍流能量的频谱频带有关。
伯努里定律:顶部流速高,压力小;底部流速低,压力高。这样产生升力,方向朝上。
压差升力(沙夫曼力):在水平面上的梯度流中也产生了升力。由速度梯度形成的压力差。
普朗特:当气流绕流旋转体而产生的气动力作用,即所谓的“马格努斯效应”。
菲利斯:旋转沙粒受到方向向上的马格努斯力作用,是促使其与地面分离的主要原因。
伊万诺夫:颗粒运动是颗粒与接触表面的摩擦力和(风的)正压力不平衡产生翻转力矩时发生的。他所指的正压力,又称移动力,实际上是颗粒对风的阻力,或颗粒在风的作用下前后产生压差作用力,可称为风的作用力(迎面阻力)。使单颗沙粒沿沙表面起动必需的最小气流速度是确定的。
斜面飞升:跃移颗粒的飞升是由于沙面不平,在沙面上滚动的沙粒沿凹凸不平的斜面爬到某一高度,可能由于风力提高而飞升入空中。
涡旋起动:涡旋在局部突起地点的分离,由于分离的负压和离心力,就能使沙粒跳起。

二、沙粒的起动风速

起动风速:地表沙粒由静止——运动,开始运动的临界风速
起沙风:超过起动风速的风
拜格诺:流体起动值和冲击起动值

流体起动值:沙粒的运动完全出于净风对床面沙粒的直接推动,使沙粒开始起动的临界风速。
冲击起动值:由于挟沙风中跃移沙粒的冲击作用

1.粗沙的起动条件

公式表明:起动风速和沙粒粒径成正比。

2.极细沙的起动条件

细沙起动风速反而增大的成因解释
需要更大的阻力
内聚力

3.天然混合沙的起动条件及影响起动风速的因素

混合沙:是指某一粒径占主要地位,而比之更大或更小的重量沙粒百分数,随着粒径偏离主要粒径的程度而逐渐减少。根据实验研究,在粒径和平均粒径相当的条件下,混合沙的起动风速稍小。
影响因素:粒径、地表性质、沙子含水率、盐度、植被覆盖度

地表性质:粗糙地表由于摩擦阻力大,需要增大起动风速;受地表坡度,颗粒的起动风速在迎风坡增大,背风坡减小。
含水量:>4%时,临界起动摩阻速度将加大,增大了沙子的黏滞性
盐分:由于胶结作用,极少的含盐量可以极大地增大起动风速。
植被盖度:多,和地表粗糙度有关。
野外采用风速仪进行测量。

第一节 沙粒运动的基本形式

风沙流:当风速达到起动风速时,地表沙粒便开始移运,产生风沙运动
形式:悬移、跃移、表层蠕移

一、表层蠕移运动

定义:沿地表面的滚动和滑动,凡是0.5~2.0mm的沙粒,一般都属于表层蠕移的范围。

二、跃移移动

定义:由风压力和颗粒的冲击而引起的。

三、悬移运动

定义:沙土颗粒保持一定时间

第三节 沙粒跃移运动的轨迹和轨迹方程

一、沙粒跃移运动的轨迹

二、沙粒跃移运动的轨迹方程

第四节 气流中沙粒的旋转运动及其速度

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