基于風(fēng)洞模擬的不同出風(fēng)口高度導(dǎo)風(fēng)板的聚風(fēng)效應(yīng)

徐錚錚, 高 永,2,3, 韓彥隆,2,3, 張 超, 田曉寧, 王 鵬

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院, 呼和浩特 010011; 2.內(nèi)蒙古杭錦荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017400; 3.內(nèi)蒙古自治區(qū)風(fēng)沙物理與防沙治沙工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 呼和浩特 010011)

在荒漠化防治進(jìn)程中,輸(導(dǎo))沙工程措施可以改變風(fēng)沙流的結(jié)構(gòu)和方向改變沙物質(zhì)的蝕積狀態(tài),包括導(dǎo)風(fēng)板工程、羽毛排導(dǎo)沙工程和輸沙斷面工程等。其中導(dǎo)風(fēng)板工程由柵欄工程發(fā)展而來,是一種典型的輸沙工程措施,根據(jù)原理不同可分為下導(dǎo)風(fēng)板和側(cè)導(dǎo)風(fēng)板[1]。常被應(yīng)用于鐵路[2]、公路的沙害[3]及風(fēng)吹雪防治工作中[4]。目前導(dǎo)風(fēng)板應(yīng)用已深入到生產(chǎn)、生活等[5]方方面面,而在荒漠化防治領(lǐng)域,對于導(dǎo)風(fēng)板組成的下導(dǎo)風(fēng)工程的作用機(jī)理及工程體系等問題缺乏系統(tǒng)研究。其主要包括導(dǎo)風(fēng)板不同傾角[6]、線路清沙[7]及其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置等方面[7-8]。在風(fēng)力強(qiáng)勁、沙源豐富的高大密集型流動沙丘地區(qū),采用固沙、阻沙措施雖在短時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到控制沙害的目的,但隨時(shí)間推移會造成更大的沙害[9]。導(dǎo)風(fēng)板工程的作用機(jī)理是通過聚合加速作用使風(fēng)沙流體加速通過區(qū)域,氣流本身攜帶的沙物質(zhì)基本不會降落在防護(hù)區(qū)內(nèi),防護(hù)區(qū)內(nèi)積沙也會被吹走,達(dá)到聚風(fēng)輸沙的目的[10]。并且因其成本低廉、體積小、易于運(yùn)輸以及可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模施工等優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于輸沙工程。因此,利用地形借助風(fēng)力設(shè)置導(dǎo)風(fēng)板工程措施在高大密集型流動沙丘的開發(fā)利用中更為有效。作為導(dǎo)風(fēng)板工程的主要組成結(jié)構(gòu),其板面高度和開口高度直接影響工程聚風(fēng)輸沙能力[11],合理確定導(dǎo)風(fēng)板板面高度與出風(fēng)口高度對于獲得高聚風(fēng)輸沙效益具有重要意義。作為風(fēng)沙流常用的3種研究方法之一,相較于野外觀測,風(fēng)洞試驗(yàn)可以有效控制風(fēng)力條件,而相較于數(shù)值模擬過于理想化的模擬環(huán)境,風(fēng)洞試驗(yàn)又幾乎可以完美模擬自然狀況下的流場分布,并還原沙粒受力運(yùn)動狀態(tài)。因此,基于前人研究,運(yùn)用風(fēng)洞模擬手段,對與風(fēng)向呈不同角度設(shè)置的不同出風(fēng)口高度前傾式45°導(dǎo)風(fēng)板的流場特征進(jìn)行系統(tǒng)研究,實(shí)現(xiàn)對其流場規(guī)律的認(rèn)識與把握,而后采用多元回歸法建立導(dǎo)風(fēng)板聚風(fēng)效應(yīng)定量模型,為預(yù)測不同條件下導(dǎo)風(fēng)板干擾下風(fēng)速,進(jìn)而確定其配置模式提供理論支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)風(fēng)洞

試驗(yàn)在中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)試驗(yàn)中心可適應(yīng)野外起伏地形的便攜式環(huán)境風(fēng)洞開展。由入口段、動力段、導(dǎo)流段、整流段、過渡段和試驗(yàn)段等組成的開口吹氣直流式風(fēng)洞,建成于2013年,洞體總長30 m(本文安裝長度18 m),橫斷面面積1.80 m×1.90 m(內(nèi)壁尺寸:寬×高)。風(fēng)洞通過變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)速,設(shè)計(jì)最大風(fēng)速18 m/s,氣流穩(wěn)定性小于4%,風(fēng)洞下邊界層厚度28 cm。該風(fēng)洞可以進(jìn)行土壤風(fēng)蝕、風(fēng)沙動力地貌、風(fēng)沙防治工程、種子風(fēng)力傳播等模擬試驗(yàn)研究。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用導(dǎo)風(fēng)板原型為封閉式導(dǎo)風(fēng)板,實(shí)際板面規(guī)格為2 m(長)×1 m(寬),本試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶?∶1將導(dǎo)風(fēng)板縮小為40 cm×20 cm,材質(zhì)為三合板,采用固定支撐架支撐于地面(圖1)。模型在風(fēng)洞試驗(yàn)段中的最大阻塞率為2.3%,滿足風(fēng)洞試驗(yàn)對阻塞率的要求[12]。

圖1 導(dǎo)風(fēng)板模型示意圖Fig. 1 Schematic diagram of wind guide plate model

1.3 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)選取4種出風(fēng)口高度的前傾式45°導(dǎo)風(fēng)板進(jìn)行試驗(yàn),分別為h=3 cm,h=5 cm,h=7 cm和h=9 cm(換算為野外實(shí)際規(guī)格分別為h=15 cm,h=25 cm,h=35 cm和h=45 cm)。設(shè)置4個風(fēng)向夾角,β=90°,β=60°,β=45°和β=30°。風(fēng)速采用TSI AIRPRO風(fēng)速計(jì)AP500進(jìn)行測定。在凈風(fēng)條件下,選擇3種風(fēng)速梯度(4 m/s,6 m/s,8 m/s)進(jìn)行空洞和不同模型氣流速度場測定,設(shè)置數(shù)據(jù)采集頻率為1 s,待氣流穩(wěn)定后,記錄吹刮時(shí)間為1 min。測風(fēng)高度分別為:1/2出風(fēng)口高度處(1/2h)、出風(fēng)口高度處(h)、導(dǎo)風(fēng)板板面1/2處(1/2L),30 cm和40 cm。如圖2所示,測點(diǎn)位置為模型迎風(fēng)側(cè)3H,模型背風(fēng)側(cè):0.5H,1H,2H,3H,4H,5H,7H,9H,其中H表示模型高度(4個導(dǎo)風(fēng)板模型高度分別為H=18.2 cm,H=20.2 cm,H=22.2 cm和H=24.2 cm)。測點(diǎn)換算為水平距離見表1。在空洞條件下測定風(fēng)洞試驗(yàn)段上述各測點(diǎn)的風(fēng)速作為對照風(fēng)速。

表1 三種風(fēng)速梯度下不同出風(fēng)口高度導(dǎo)風(fēng)板觀測點(diǎn)位Table 1 Observation points of wind guide plate at different air outlet heights under three wind speed shavings

圖2 風(fēng)洞內(nèi)不同角度導(dǎo)風(fēng)板測點(diǎn)位置示意圖(俯視圖)Fig. 2 Schematic diagram of measuring points of wind guide plate at different angles in the wind tunnel(top view)

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel 2019對1 min內(nèi)所測持續(xù)穩(wěn)定(±4%)的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行平均,采用Surfer 21.1,Origin 2021軟件進(jìn)行風(fēng)速流場和相對風(fēng)速等的制圖,利用SPSS 22.0的線性回歸分析功能模塊對導(dǎo)風(fēng)板干擾下風(fēng)速與各個因素之間的關(guān)系進(jìn)行分析并構(gòu)建預(yù)測模型。

采用相對風(fēng)速對導(dǎo)風(fēng)板的聚風(fēng)效能變化進(jìn)行定量分析。相對風(fēng)速計(jì)算方法如下:

(1)

式中:u′為相對風(fēng)速;u(x,y)為距離導(dǎo)風(fēng)板x處,高度y處的平均風(fēng)速(m/s);U(x0,y0)為空洞下試驗(yàn)段水平距離x,高度y處的平均風(fēng)速(m/s)。

2 結(jié)果與分析

2.1 導(dǎo)風(fēng)板對風(fēng)速流場的影響

圖4—7分別為β=90°,β=60°,β=45°與β=30°4種風(fēng)向夾角條件下,導(dǎo)風(fēng)板模型縱剖面風(fēng)速流場特征。以空洞測得的風(fēng)速流場作為對照。對比圖3可知,在測定范圍內(nèi),各風(fēng)速流場大體可分為4個重新組合的風(fēng)速能區(qū),但能區(qū)大小、強(qiáng)弱各有不同。來流受到導(dǎo)風(fēng)板阻擋后能量強(qiáng)烈衰減,導(dǎo)致其進(jìn)風(fēng)口區(qū)域風(fēng)速明顯下降,形成降速區(qū)并在模型中后部形成較為明顯的風(fēng)影區(qū)(后文將降速區(qū)及風(fēng)影區(qū)統(tǒng)稱為弱風(fēng)速區(qū))。當(dāng)氣流到達(dá)導(dǎo)風(fēng)板處時(shí),在板面某一點(diǎn)產(chǎn)生分離,一部分氣流被迫抬升形成繞流,在導(dǎo)風(fēng)板頂部形成增速區(qū);另一部分氣流沿板面向下流動與近地表氣流相匯加速通過出風(fēng)口,在出風(fēng)口處產(chǎn)生狹管效應(yīng),形成一定范圍的強(qiáng)風(fēng)區(qū)。而后氣流到達(dá)相對寬闊地域時(shí)發(fā)生擴(kuò)散,形成風(fēng)速減弱區(qū)。隨著導(dǎo)風(fēng)板與主風(fēng)向夾角β的減小,導(dǎo)風(fēng)板垂直風(fēng)向投影面積減小,流經(jīng)導(dǎo)風(fēng)板處的氣流產(chǎn)生平行和垂直導(dǎo)風(fēng)板方向的分量,使導(dǎo)風(fēng)板側(cè)導(dǎo)效應(yīng)加強(qiáng),流動的區(qū)域逐漸合并,劃分的區(qū)域越來越少。此時(shí),過境氣流在背風(fēng)側(cè)匯集,又產(chǎn)生新的集流加速區(qū)。

注:水平距離0表示模型擺放位置,“-”表示導(dǎo)風(fēng)板模型迎風(fēng)側(cè)。圖3 空洞風(fēng)速流場Fig. 3 Air velocity flow field of cavity

圖4 β=90°導(dǎo)風(fēng)板風(fēng)速流場Fig. 4 Wind velocity flow field diagram of the wind guide plate when the wind direction angle β=90°

當(dāng)風(fēng)向夾角β=90°時(shí),不同風(fēng)速條件下不同出風(fēng)口高度導(dǎo)風(fēng)板流場特征如圖4所示。4個出風(fēng)口高度導(dǎo)風(fēng)板頂部增速區(qū)分布范圍依次為-1.4～4.1H,-2.4～1.9H,-1.1～0.9H,-2.3～1.6H。增速區(qū)內(nèi)最大風(fēng)速分別為4.28,4.35,4.21,4.28 m/s,較CK同位置分別增加8.91%,10.69%,7.13%,8.91%。隨風(fēng)速增大,頂部增速區(qū)逐漸向?qū)эL(fēng)板處移動。當(dāng)h≤5 cm時(shí),隨風(fēng)速增大導(dǎo)風(fēng)板頂部增速區(qū)影響范圍呈減小趨勢;h>5 cm時(shí)則呈逐漸增大趨勢。h=3 cm和h=7 cm導(dǎo)風(fēng)板在4 m/s風(fēng)速條件下無強(qiáng)風(fēng)區(qū)。h=5 cm和h=9 cm導(dǎo)風(fēng)板強(qiáng)風(fēng)區(qū)分布范圍分別為-1.6～0.8H和-1.5～0.7H。強(qiáng)風(fēng)區(qū)內(nèi)最大風(fēng)速分別為4.07,3.97 m/s,較CK同位置分別增加29.21%,23.29%。當(dāng)h≤5 cm時(shí),隨風(fēng)速的增大導(dǎo)風(fēng)板強(qiáng)風(fēng)區(qū)影響范圍呈減小趨勢;h>5 cm時(shí)呈逐漸增大趨勢。隨導(dǎo)風(fēng)板出風(fēng)口高度的增加,強(qiáng)風(fēng)區(qū)的影響范圍呈先增大后減小再增大趨勢。弱風(fēng)區(qū)的影響范圍隨風(fēng)速的增大逐漸增大。且出風(fēng)口高度越高,弱風(fēng)區(qū)影響范圍越小。擴(kuò)散減速區(qū)隨風(fēng)速的增大影響范圍逐漸增大。隨出風(fēng)口高度的升高,擴(kuò)散減速區(qū)由原來的1個區(qū)逐漸分解為2個區(qū)域。

當(dāng)β=60°時(shí)(圖5),4個出風(fēng)口高度導(dǎo)風(fēng)板頂部增速區(qū)分布范圍分別為-0.5～1.9H,-0.5～0.7H,-1.1～0.8H,-3～3.6H。增速區(qū)內(nèi)最大風(fēng)速分別為4.18,4.06,4.19,4.38 m/s,較CK同位置分別增加6.41%,3.36%,6.67%,11.51%。當(dāng)h≤7 cm時(shí),隨風(fēng)速增大導(dǎo)風(fēng)板頂部增速區(qū)影響范圍呈先增大后減小趨勢;h>7 cm時(shí),則呈減小趨勢。h=3 cm,h=5 cm和h=7 cm導(dǎo)風(fēng)板強(qiáng)風(fēng)區(qū)分布范圍分別為-0.9～0.6H,0～0.4H,-1.4～0.8H,h=9 cm導(dǎo)風(fēng)板無強(qiáng)風(fēng)區(qū)。強(qiáng)風(fēng)區(qū)內(nèi)最大風(fēng)速分別為3.40,3.28,3.84 m/s,較CK同位置分別增加8.28%,4.13%,20.0%。隨導(dǎo)風(fēng)板出風(fēng)口高度增加,強(qiáng)風(fēng)區(qū)影響范圍呈增加趨勢。隨風(fēng)速增大,弱風(fēng)區(qū)無明顯變化。擴(kuò)散減速區(qū)影響范圍隨風(fēng)速增大逐漸增大。隨出風(fēng)口高度增加,擴(kuò)散減速區(qū)逐漸分解為兩個區(qū)域,且影響范圍逐漸減小。

圖5 β=60°導(dǎo)風(fēng)板風(fēng)速流場Fig. 5 Wind velocity flow field diagram of the wind guide plate when the wind direction angle β=60°

當(dāng)β=45°時(shí)(圖6),4個出風(fēng)口高度導(dǎo)風(fēng)板頂部增速區(qū)分布范圍分別為-0.4～0.7H,-0.3～0.5H,-1.6～1.8H和-3～9H。增速區(qū)內(nèi)最大風(fēng)速分別為4.07,3.96,4.19,4.38 m/s,較CK同位置分別增加3.61%,0.81%,6.67%,11.51%。隨風(fēng)速增大,h=3 cm導(dǎo)風(fēng)板頂部增速區(qū)影響范圍呈先增大后減小趨勢;h=5 cm和h=9 cm導(dǎo)風(fēng)板呈逐漸增大趨勢;h=7 cm導(dǎo)風(fēng)板呈先減小后增大趨勢。頂部增速區(qū)影響范圍隨出風(fēng)口高度的增加呈先減小后增大趨勢。在該風(fēng)向夾角條件下,導(dǎo)風(fēng)板垂直風(fēng)向投影面積減小,導(dǎo)風(fēng)板側(cè)導(dǎo)作用加強(qiáng)。各風(fēng)速條件下,4個出風(fēng)口高度的導(dǎo)風(fēng)板均無強(qiáng)風(fēng)區(qū)。過境氣流在背風(fēng)側(cè)匯集,形成新的集流加速區(qū)。h=3 cm導(dǎo)風(fēng)板無集流加速區(qū),其余3個出風(fēng)口高度導(dǎo)風(fēng)板集流加速區(qū)分布范圍分別為0.2～1.0H,-0.1～2.9H和1.3～9H。隨風(fēng)速及出風(fēng)口高度的增加,集流加速區(qū)影響范圍均逐漸增大。

圖6 β=45°導(dǎo)風(fēng)板風(fēng)速流場Fig. 6 Wind velocity flow field diagram of the wind guide plate when the wind direction angle β=45°

如圖7所示,當(dāng)β=30°時(shí),h=3 cm和h=5 cm導(dǎo)風(fēng)板無頂部增速區(qū),其余導(dǎo)風(fēng)板頂部增速區(qū)分布范圍分別為-2.5～4.5H和-3～3.4H。增速區(qū)內(nèi)最大風(fēng)速分別為4.20,4.23 m/s,較CK同位置分別增加6.92%,7.69%。隨風(fēng)速的增大,h=3 cm,h=5 cm和h=9 cm導(dǎo)風(fēng)板頂部增速區(qū)影響范圍逐漸增大,h=7 cm導(dǎo)風(fēng)板頂部增速區(qū)影響范圍呈先減小后增加的趨勢。頂部增速區(qū)影響范圍隨出風(fēng)口高度的增加呈增大趨勢。僅h=5 cm導(dǎo)風(fēng)板在6,8 m/s風(fēng)速條件下存在強(qiáng)風(fēng)區(qū),分布范圍分別為-1.3～1H和-0.5～0.4H。強(qiáng)風(fēng)區(qū)內(nèi)最大風(fēng)速分別為5.43,6.96 m/s,較CK同位置分別增加12.55%,44.27%。h=7 cm和h=9 cm導(dǎo)風(fēng)板集流加速區(qū)分布范圍分別為0.4～2.4H,1.7～4.5H。隨風(fēng)速的增大,集流加速區(qū)影響范圍逐漸增大。

2.2 導(dǎo)風(fēng)板相對風(fēng)速變化特征

相對風(fēng)速反映導(dǎo)風(fēng)板聚風(fēng)能力的變化特征。相對風(fēng)速越大,導(dǎo)風(fēng)板聚風(fēng)效能越高。對來流中顆粒物起疏導(dǎo)作用的主要為近地面的強(qiáng)風(fēng)區(qū),故對導(dǎo)風(fēng)板1/2出風(fēng)口高度處相對風(fēng)速特征進(jìn)行分析。

如圖8所示,不同的風(fēng)向夾角條件下,隨著導(dǎo)風(fēng)板出風(fēng)口高度的增加,導(dǎo)風(fēng)板1/2出風(fēng)口高度處相對風(fēng)速變化趨勢存在差異。當(dāng)β=90°(圖A—C)時(shí),導(dǎo)風(fēng)板1/2出風(fēng)口高度處相對風(fēng)速隨出風(fēng)口高度的變化呈現(xiàn)出先升高再降低然后升高的趨勢。4個出風(fēng)口高度導(dǎo)風(fēng)板相對風(fēng)速平均值分別為1.14,1.31,1.13,1.25;β=60°(圖D—F)時(shí),呈先升高后降低趨勢。4個出風(fēng)口高度導(dǎo)風(fēng)板相對風(fēng)速平均值分別為0.93,1.13,1.23,1.14;β=45°(圖G—I)時(shí),呈逐漸升高趨勢。4個出風(fēng)口高度導(dǎo)風(fēng)板相對風(fēng)速平均值分別為0.85,0.90,0.99,1.03;β=30°(圖J—L)時(shí),呈先升高后降低趨勢。4個出風(fēng)口高度導(dǎo)風(fēng)板相對風(fēng)速平均值分別為0.87,1.05,1.00,0.97。說明不同的風(fēng)向夾角、不同出風(fēng)口高度的導(dǎo)風(fēng)板對相對風(fēng)速變化的影響程度存在差異,β=90°,β=60°和β=45°時(shí),h=9 cm導(dǎo)風(fēng)板對相對風(fēng)速變化影響的波動性更大,β=30°時(shí),h=5 cm導(dǎo)風(fēng)板對相對風(fēng)速變化影響的波動性更大。

綜上所述,不同風(fēng)向夾角、不同出風(fēng)口高度的導(dǎo)風(fēng)板對相對風(fēng)速變化的影響程度存在差異。當(dāng)迎風(fēng)夾角β=90°和β=60°時(shí),各導(dǎo)風(fēng)板在1/2出風(fēng)口高度處相對風(fēng)速均隨水平距離的增加均呈先增加后減小再增加而后趨于穩(wěn)定的趨勢。由于出風(fēng)口狹管效應(yīng),絕大部分導(dǎo)風(fēng)板均能在水平測點(diǎn)0.5H處達(dá)到相對風(fēng)速峰值。而后由于氣流發(fā)生擴(kuò)散,在水平測點(diǎn)2H(在4 m/s風(fēng)速條件下,h=9 cm導(dǎo)風(fēng)板為3H)處風(fēng)速減弱為最低值。當(dāng)迎風(fēng)夾角β=45°和β=30°時(shí),導(dǎo)風(fēng)板垂直風(fēng)向投影面積急劇減小,側(cè)導(dǎo)作用加強(qiáng)。此時(shí),過境氣流在導(dǎo)風(fēng)板后匯集,對水平距離1H后的氣流有較大的加速效果。

2.3 導(dǎo)風(fēng)板聚風(fēng)效果的預(yù)測模型

多元線性回歸模型是描述變量的相關(guān)性模型,在滿足模型決定系數(shù)、相關(guān)性檢驗(yàn)等基礎(chǔ)上,可對因變量進(jìn)行預(yù)測[13]。研究表明,導(dǎo)風(fēng)板傾角、氣流擴(kuò)散角、山坡坡度、風(fēng)向與下導(dǎo)風(fēng)走向的夾角以及風(fēng)速等均能作為下導(dǎo)風(fēng)防護(hù)效果的標(biāo)志[14]。在前人研究的基礎(chǔ)上,本研究選取風(fēng)向的夾角(β)、出風(fēng)口高度(h)、來流風(fēng)速(V0)和距離導(dǎo)風(fēng)板水平距離(x)4個影響因素作為自變量,運(yùn)用多元回歸分析方法,建立導(dǎo)風(fēng)板1/2出風(fēng)口高度處風(fēng)速多元回歸預(yù)測模型。

利用SPSS軟件對3個風(fēng)速條件下4個風(fēng)向夾角、4個出風(fēng)口高度的導(dǎo)風(fēng)板各9個水平點(diǎn)位的432個樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸。回歸分析結(jié)果見表2—4。

表2 模型摘要bTable 2 Model summaryb

此多元回歸模型方程調(diào)整后的決定系數(shù)R2=0.758(表2),說明自變量(風(fēng)向的夾角、出風(fēng)口高度、來流風(fēng)速以及距離導(dǎo)風(fēng)板的水平距離)可以解釋因變量(導(dǎo)風(fēng)板干擾下1/2出風(fēng)口高度處的風(fēng)速)75.8%的變化,模型擬合程度較高。對回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(表3),得出p值為0.000<0.05,認(rèn)為自變量和因變量有很強(qiáng)的相關(guān)性,回歸方程有顯著意義。由表4可知,所選參數(shù)p值均小于0.05,可見其對導(dǎo)風(fēng)板風(fēng)速均有顯著影響,參數(shù)選用較為合理,且VIF值均小于5無多重共線性問題。各因素對風(fēng)速的影響程度為來流風(fēng)速>導(dǎo)風(fēng)板出風(fēng)口高度>距離導(dǎo)風(fēng)板的水平距離>風(fēng)向夾角。可得最終預(yù)測模型為

表3 F檢驗(yàn)aTable 3 F testa

表4 系數(shù)aTable 4 Coefficienta

V(x)=-0.144+0.145h+(-0.022)β+

0.808V0+0.092x

(2)

式中:V(x)為導(dǎo)風(fēng)板干擾下1/2出風(fēng)口高度處的風(fēng)速(m/s);h為出風(fēng)口高度,本文取3,5,7,9 cm;β為風(fēng)向夾角,取90°,60°,45°,30°;V0為來流風(fēng)速,取4,6,8 m/s;x為距離導(dǎo)風(fēng)板的水平距離,取-3,0.5,1,2,3,4,5,7,9H(“-”號代表導(dǎo)風(fēng)板模型迎風(fēng)側(cè),H代表導(dǎo)風(fēng)板模型高,單位為cm)。

3 討 論

本研究對不同風(fēng)速條件下,與風(fēng)向呈不同夾角的不同出風(fēng)口高度導(dǎo)風(fēng)板的流場特性進(jìn)行風(fēng)洞模擬,基本掌握了各條件下的流場特征。在自然過程中,風(fēng)向是不固定的,本研究通過調(diào)整導(dǎo)風(fēng)板與風(fēng)向的夾角,模擬了自然狀況下多變的風(fēng)向,更具實(shí)踐意義。從風(fēng)洞模擬結(jié)果來看,與韓彥隆[15]對不同傾角導(dǎo)風(fēng)板聚風(fēng)輸沙機(jī)理的野外試驗(yàn)流場規(guī)律相一致,表明導(dǎo)風(fēng)板風(fēng)洞試驗(yàn)和野外試驗(yàn)對于流場的作用具有一定的相似性,可為實(shí)際應(yīng)用提供理論參考依據(jù)。

導(dǎo)風(fēng)板布設(shè)與地面呈45°角,將導(dǎo)風(fēng)板所在流層流體的動能和位能重新分配,加強(qiáng)了導(dǎo)風(fēng)板上、下端流體運(yùn)動的能量,使原來流經(jīng)地表的“一次流”變?yōu)槿藶楦蓴_下的“次生流”[16-17]。研究表明,4種不同出風(fēng)口高度的導(dǎo)風(fēng)板在不同風(fēng)向夾角條件下均表現(xiàn)出明顯的流速分區(qū)特征。大體可以劃分為4個典型區(qū)域:頂部增速區(qū)、底部強(qiáng)風(fēng)區(qū)、弱風(fēng)區(qū)及擴(kuò)散減速區(qū)。

這些典型區(qū)域分別表示氣流的不同運(yùn)移特征,影響了導(dǎo)風(fēng)板周圍沙粒的躍移傳輸及沉積特征[18]。來流到達(dá)導(dǎo)風(fēng)板處時(shí)在板面某一點(diǎn)產(chǎn)生分離,一部分氣流被迫抬升,與上方氣流匯合,在頂部形成增速區(qū)。另一部分氣流沿板面向下流動與近地表氣流相匯加速通過出風(fēng)口,在出風(fēng)口處產(chǎn)生狹管效應(yīng),導(dǎo)致氣流攜沙能力加強(qiáng)。辛林桂[7]、陳柏羽[8]等認(rèn)為導(dǎo)風(fēng)板與擋沙墻對風(fēng)速流場的作用具有一定的相似性,都是一種帶有尖緣的鈍體,也有減速區(qū),渦流區(qū)以及上方加速區(qū)和下方加速區(qū)生成,此與本研究結(jié)果一致。且加速區(qū)的范圍和風(fēng)速大小可以反映導(dǎo)風(fēng)板輸導(dǎo)效果。導(dǎo)風(fēng)板與光伏電板結(jié)構(gòu)類似,其對過境氣流的作用機(jī)理也類似。陳曦[19]、唐國棟[16]、袁方等[20]、孫濤等[21]研究顯示光伏電板出風(fēng)口后方出現(xiàn)一定范圍的風(fēng)速增大,此與本研究結(jié)果一致。石龍等[22]對擋風(fēng)墻設(shè)置向上開口的斜插板,通過向上輸導(dǎo)過境氣流以減小對過往車輛的影響,起到了同導(dǎo)風(fēng)板相似的輸導(dǎo)作用。蔣富強(qiáng)等[23]通過進(jìn)行擋風(fēng)墻下部開口疏導(dǎo)線路積沙試驗(yàn),結(jié)果表明開口后鐵軌支撐層臺階氣流處在加速區(qū),使其積沙量和積沙面積均顯著減小。劉賢萬[24]、張超[25]等研究發(fā)現(xiàn),下導(dǎo)風(fēng)工程在板后貼近地層會出現(xiàn)一個風(fēng)速減弱區(qū)域。同樣,本研究結(jié)果中在模型背風(fēng)側(cè)2H附近風(fēng)速也出現(xiàn)了一定程度的減弱。分析原因可能是氣流通過導(dǎo)風(fēng)板與地面形成的狹管后進(jìn)入開闊區(qū)域會出現(xiàn)一定程度的擴(kuò)散,從而使得風(fēng)速再次減弱。且隨出風(fēng)口高度的增加氣流通過狹管后受到的擠壓減小,擴(kuò)散能力減弱,使得擴(kuò)散減速區(qū)逐漸分解,且影響范圍逐漸減小。本研究還發(fā)現(xiàn),當(dāng)β<60°時(shí),各導(dǎo)風(fēng)板均無底部強(qiáng)風(fēng)區(qū)和擴(kuò)散減速區(qū),而是在導(dǎo)風(fēng)板背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生新的氣流加強(qiáng)區(qū)。分析原因可能是由于風(fēng)向夾角變小,導(dǎo)風(fēng)板側(cè)導(dǎo)作用加強(qiáng),流動的區(qū)域逐漸合并,導(dǎo)致劃分的區(qū)域越來越少,過境氣流在板后一定距離重新聚集導(dǎo)致風(fēng)速加大。各風(fēng)向夾角條件下,隨出風(fēng)口高度的增加導(dǎo)風(fēng)板強(qiáng)風(fēng)區(qū)呈逐漸增大趨勢,分析原因可能是出風(fēng)口高度的增加有助于導(dǎo)風(fēng)板匯聚更多的風(fēng)能,更有利于狹管效應(yīng)的產(chǎn)生。隨風(fēng)向夾角的增大,h≤5 cm導(dǎo)風(fēng)板強(qiáng)風(fēng)區(qū)影響范圍逐漸增大,而h≥7 cm導(dǎo)風(fēng)板強(qiáng)風(fēng)區(qū)的影響范圍則逐漸減小,以風(fēng)向夾角β=60°時(shí),h=9 cm導(dǎo)風(fēng)板強(qiáng)風(fēng)區(qū)影響范圍為最大。將出風(fēng)口高度為9 cm的導(dǎo)風(fēng)板(換算為野外實(shí)際規(guī)格分別為h=45 cm)與主風(fēng)向呈60°設(shè)置于沙丘迎風(fēng)坡,能有效影響過境氣流的運(yùn)動規(guī)律,降低沙丘高度,減小高大密集型流動沙丘的治理難度;更有利于背風(fēng)坡和丘間低地水源涵養(yǎng),提升人工植被成活率及生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

(1) 整體來看,不同出風(fēng)口高度導(dǎo)風(fēng)板風(fēng)速流場均可劃分為增速區(qū)、強(qiáng)風(fēng)區(qū),弱風(fēng)區(qū)及擴(kuò)散減速區(qū)。隨風(fēng)向夾角逐漸減小,導(dǎo)風(fēng)板側(cè)導(dǎo)作用增強(qiáng),流動的區(qū)域逐漸合并,劃分的區(qū)域減少,過境氣流在導(dǎo)風(fēng)板背風(fēng)側(cè)聚集從而產(chǎn)生新的集流增速區(qū)。不同出風(fēng)口高度及風(fēng)向夾角下導(dǎo)風(fēng)板流場特征存在顯著差異。β=90°時(shí),h=3 cm導(dǎo)風(fēng)板頂部增速區(qū)影響范圍最大,h=5 cm導(dǎo)風(fēng)板底部強(qiáng)風(fēng)區(qū)影響范圍最大。風(fēng)向夾角β=60°時(shí),h=7 cm和h=9 cm導(dǎo)風(fēng)板形成的強(qiáng)風(fēng)區(qū)面積明顯大于其他導(dǎo)風(fēng)板,以h=9 cm導(dǎo)風(fēng)板影響范圍為最大。β=45°和β=30°時(shí),h=9 cm導(dǎo)風(fēng)板頂部增速區(qū)和集流加速區(qū)影響范圍均最大。總體來看在聚風(fēng)效果上,β=60°時(shí)h=9 cm導(dǎo)風(fēng)板優(yōu)于其他導(dǎo)風(fēng)板。

(2)β=90°和β=60°時(shí)各導(dǎo)風(fēng)板1/2出風(fēng)口高度處相對風(fēng)速隨水平距離的變化近似呈“N”形變化。由于狹管效應(yīng),絕大部分均能在0.5H處達(dá)到相對風(fēng)速峰值,而后氣流發(fā)生擴(kuò)散,到2H處降為相對風(fēng)速最低值。當(dāng)迎風(fēng)夾角β=45°和β=30°時(shí),導(dǎo)風(fēng)板側(cè)導(dǎo)效應(yīng)增強(qiáng),過境氣流在背風(fēng)側(cè)匯集,此時(shí)對水平測點(diǎn)1H后的氣流有較大的加速效果。β=90°,β=60°和β=45°時(shí),h=9 cm導(dǎo)風(fēng)板對相對風(fēng)速變化影響的波動性更大;β=30°時(shí),h=5 cm導(dǎo)風(fēng)板對相對風(fēng)速變化影響的波動性更大。導(dǎo)風(fēng)板1/2出風(fēng)口高度處風(fēng)速預(yù)測模型V(x)=-0.144+0.145h+(-0.022)β+0.808V0+0.092x(R2=0.758),模型擬合程度較高。