作者:张双虎 来源:科学时报 发布时间:2010-5-10 9:44:50
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基金委重点项目探究沙尘暴起动与发展动因

4月24日,甘肃省民勤县出现黑风天气
 
土壤风蚀和沙尘暴是人类面临的重大自然环境灾害之一,它直接关系着人类的生存环境和生活质量。对肆虐的沙尘暴,人们更多地将关注的目光投向环境保护和植被覆盖。但从物理学的角度看,沙粒受气流作用在地表和空中的运动是土壤风蚀、沙尘暴起动与发展的主要动因。
 
风沙运动机理研究是认识风沙灾害本质进而实现有效防治的基础,2005年,为弄清风沙运动中的一些基本力学问题,国家自然科学基金委员会设立两个重点项目对此展开研究。不久前,两个重点项目顺利结题并取得一系列成果。
 
促进基金项目竞争的尝试
 
对风沙运动的力学机理研究是沙漠科学和防沙治沙工程关注的主要课题之一。自风沙物理学奠基人拜格诺(R. A. Bagnold)的《风沙和荒漠沙丘物理学》出版以来,风沙物理学在运动沙粒与地表互馈机制、风沙流结构、能量与沙粒粒度分布、风沙流对各种材料的打磨作用等方面取得不少进展。
 
实践表明,只有在风沙运动的力学机理研究方面获得突破,才可能从本质上弄清风与地表的互馈(地表风蚀和沙漠化过程)机制、沙尘物质搬运和分选沉积过程,建立风沙防治工程设计原理。
 
2005年,国家自然科学基金委员会开始支持风沙运动的力学机理研究,国家自然科学基金委员会数理科学部力学科学处将“风沙运动研究中的若干基本力学问题”列为重点支持方向。在当年的重点项目立项中,数理科学部首次将竞争的理念贯穿于重点项目的各个环节,包括重点项目立项的遴选、项目评审、中期检查和结题验收,鼓励重点项目领域之间和领域内的竞争。在项目评审阶段,除了对相同领域的重点项目申请进行打包评议和会议答辩外,还鼓励相同领域内不同技术路线和方法的重点项目之间的竞争。其中一个典型的例子,就是数理科学部力学科学处在“风沙运动研究中的若干基本力学问题”领域内,同时资助了两个重点项目。
 
这两个同名的重点项目,一项由北京师范大学教授邹学勇主持,另一项由兰州大学教授郑晓静负责。前者对沙尘运动过程中关键的力进行了深入研究,后者通过研究层风沙流中沙粒带电和风沙电场变化的一般规律以及沙粒起跃初速度(含角速度)概率分布密度函数和击溅函数的研究,达到掌握风沙运动力学机理的目标。在两个重点项目的会议评审过程中,专家评审组认为两个项目研究的方法各有侧重,可以做到优势互补,因此都给予了资助。
 
两颗小球的“沙尘暴”
 
由于大气和地表条件的多样性以及地表沙粒运动与风场作用的相互耦合,导致风沙运动问题研究的情况比较复杂。基础研究有时要假定一些理想的实验条件,“我们就以单球和双球影响下的气流场特征和球体阻力等方面展开研究。”邹学勇说,“国家自然科学基金本身就以支持基础研究为主,我们所进行的研究更是基础中的基础,除了一些公式和理论模型外没有什么通俗的东西可说。虽说这项研究和沙尘暴相关,这一项目也取得了不错的研究结果,但对今年的强沙尘天气我们并不能给出适合公众口味的专业意见。”
 
据了解,邹学勇带领的研究团队首先采用数值模拟方法对单个小球的阻力及其流动特性进行计算,并进一步探讨了单球与双球影响下的气流场特征和球体阻力。
 
邹学勇告诉记者,在风沙运动中,各个沙粒之间必定存在一定的干扰,如果用小球模拟沙粒进行研究可以发现,随着球间距的增加,两球的阻力系数都得到了显著的增大,不过增加的幅度却递减。同时,随着转速的增加,两球旋转对流场非对称性的影响进一步加剧,双球干扰的效果逐渐加强。
 
邹学勇团队进行了单球和双球排列并旋转时受力的计算,不同方位双球与多球系统中的小球受力计算,不同方位双球的干扰阻力计算和多球系统中的小球受力研究,并探讨了非球型颗粒在不同来流方向时的阻力,进行了不同粗糙表面大气边界层对风沙边界层流动特性的影响实验研究。研究人员计算了均匀气流条件下立方体、四面体、圆柱体颗粒的三维绕流流场,得到了三种非球型颗粒在不同来流方向下的阻力系数、速度分布、压力分布。研究发现,绕流阻力受来流方向的影响明显,与传统经验公式比较表明,传统的非球型颗粒阻力经验公式计算值近似于单一角度下的值,而非平均值。在以上三种非球形颗粒多角度绕流计算的基础上,给出了阻力系数经验公式。
 
沙粒电场影响沙尘运动
 
随着风沙运动机理研究和对沙尘暴观测的深入,人们发现在风沙跃移运动和沙尘暴中的沙粒带有电荷并形成风沙电场。沙粒的运动不仅导致沙粒带电和风沙电场形成,而且也直接受到沙粒带电和风沙电场的影响。
 
郑晓静认为,研究风沙电场的分布和变化规律,建立更接近实际风沙流运动的理论模型,研究粒径、风场、地表和环境对输沙量、风沙流结构、沙粒浓度等宏观量的影响,对于促进风沙运动理论研究和防沙治沙实践都有十分重要的意义。
 
为了弄清风沙电的起因以及揭示其影响规律,兰州大学风沙环境力学研究组从力学和地学的交叉角度,通过野外观测、风洞实验、理论建模和计算机模拟研究,探讨了风沙运动中沙粒带电的机理、风沙电场分布规律、沙粒带电对风沙运动的微宏观物理量以及沙尘暴中沙粒带电对电磁波散射的影响等内容。揭示了风沙流中沙粒带电量和风沙电场的基本规律及其对风沙流和无线电通讯的影响,实现了对多物理场耦合作用风沙流发展过程的理论预测以及对风成沙波纹主要特征的计算机模拟,取得一些原创性的成果。
 
研究人员还从单颗沙粒这一基本尺度出发,对风沙运动研究中重大问题纳入同一散体模型,并对风沙运动过程中沙粒所表现出的各种运动方式,视为风沙系统的动力学同一问题进行整体描述。在此基础上,可建立相应的实验模型,对散体动力学模型的理论模拟结果和实验结果进行对比,为风沙运动的分析研究提供新的思路。
 
《科学时报》 (2010-5-10 A4 科学基金)
 
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