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土壤风蚀的多场耦合力学机理

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1 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究现状及发展动态分析

1.3 主要研究内容

2 基本理论

2.1 风场方程

2.2 流场中土壤颗粒受力分析

2.3 本章小结

3 土壤风蚀的微观机理

3.1受力分析

3.2 试验

3.3土壤颗粒受力中颗粒旋转角速度的变化规律

3.4 本章小结

4 土壤颗粒运动的理论模拟和风洞实验

4.1 理论研究

4.2 实验研究

4.3 实验观测和理论模拟结果分析

4.4 本章小结

5 土壤风蚀过程的颗粒流体动力学模拟

5.1 颗粒流体动力学模型

5.2 土壤颗粒运动的模拟结果和讨论

5.3 土壤颗粒流中颗粒击溅过程的速度和角度分布

5.4 本章小结

6 土壤风蚀过程土壤颗粒对结皮的冲蚀破坏

6.1 土壤风蚀和结皮

6.2 结皮冲蚀破坏理论

6.3 结皮寿命预测数值计算分析

6.4 本章小结

7 结论

参考文献

作者简历

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摘要

本文通过建立气流-土壤颗粒耦合作用的稳态两相流模型,考虑 Magnus效应的影响,描述土壤颗粒运动发展过程,对土壤风蚀的多场耦合力学机理进行研究。主要包括以下几个方面:
  1)土壤风蚀过程中,同一流场以同一速度起跳的土壤颗粒,重力和拖曳力起主要作用,Magnus力和静电力的影响较大,Saffman力影响最小,几乎可忽略。Magnus效应对土壤颗粒运动中颗粒跃移轨迹、输移量等的影响十分明显。
  2)不同高度处的角速度概率分布与实验结果吻合的很好,不仅分布的形状、峰值比较一致,而且其分布位置和偏度也吻合的较好,尤其是距离床面较高时,两者的差别更小。颗粒旋转角速度的分布概率服从单峰非对称分布,且峰值呈尖点。
  3)土壤颗粒的输移量沿高度呈指数规律递减,输移量主要集中在10cm高度层以下;输移量的风洞实验和理论模拟结果大约在10cm以上吻合得很好,但在10cm以下,风洞实验和理论模拟差别较大。同一风速下,采用最小二乘法对风洞实验和理论模拟的输移量进行拟合并得到拟合公式。同时,在不同风速下对同一高度层输移量对比分析表明,贴近地表处(0-10cm)高度层内输移量随风速增大所占的百分率降低。而在10cm以上高度层内,特别在10-20cm的高度层内,随着风速的增大,其输移量所占总输移量的百分比反而有明显的增加。
  4)在土壤颗粒流的形成过程中,颗粒空中的碰撞是不容忽视的,空中颗粒的碰撞次数占总碰撞次数的平均百分数可达到21.5%,床面颗粒的碰撞次数占颗粒总碰撞次数的平均百分数为78.5%。
  5)颗粒冲击速度、颗粒自旋角速度、颗粒冲击角度、颗粒直径及土壤风蚀日数、持续时间都对结皮寿命都有明显影响。统计分析各项影响因素的平均值计算表明,在结皮厚度20mm的情况下,结皮寿命为3~8年,平均寿命5.3年。该研究对防治土壤风蚀理论具有实用价值,为促进干旱、半干旱地区经济的可持续发展具有现实意义。

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