CN102661844A

CN102661844A - 风沙蠕移层输沙量测量装置以及测量方法

Info

Publication number: CN102661844A
Application number: CN2012101494211A
Authority: CN
Inventors: 程宏; 高尚玉; 邹学勇; 伍永秋; 张春来; 全占军; 刘辰琛; 贺佳嘉
Original assignee: Beijing Normal University
Current assignee: Beijing Normal University
Priority date: 2012-05-14
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2032-05-14
Also published as: CN102661844B

Abstract

风沙蠕移层输沙量测量装置以及测量方法。本发明提供一种测量装置（1），其用于测量风沙蠕移层输沙量，该测量装置（1）包括多个收集部件（3），所述各收集部件（3）内部形成收集腔，所述各收集腔均具有入口，所述入口位于所述收集部件（3）的上表面，所述各入口的等效长度相等并且各入口的面积不相等。本发明还提供一种测量风沙蠕移层输沙量的方法，其利用最小二乘法拟合方程组而得到蠕移层输沙量。

Description

风沙蠕移层输沙量测量装置以及测量方法

技术领域

本发明涉及一种可以测量风沙蠕移层输沙量的装置以及测量方法，该测量装置以及测量方法尤其适用于野外风沙观测或风洞实验。

背景技术

中国是世界上风沙危害最为严重的国家之一。为了有效防治风沙灾害，首先必须研究清楚风沙运动的基本规律。

风沙流中沙粒运动包括蠕移、跃移和悬移三种运动形式。其中，蠕移是沙粒贴着沙床面滚动或滑动的运动形式，跃移是沙粒从沙床面起跳后，在重力作用下又降落到沙床面的运动形式，悬移是沙粒悬在空中随着空气一起流动的运动形式。这三种运动形式相互关联，它们之间存在着复杂的物质和能量交换，因此在风沙理论研究和风沙工程实践中必须兼顾这三种运动形式。但是风沙运动的复杂性又迫使研究者将这三种运动形式人为地割裂开来进行研究。

根据运动形式的不同，将风沙流从上至下依次划分为悬移层、跃移层和蠕移层。作为风沙流的一部分，对风沙蠕移层输沙量的研究是一个重要的课题。根据现有文献记载,风沙蠕移层输沙量的研究方法包括：利用陷阱仪直接测量蠕移层输沙量[Bagnold R A.The physics of blown sand and desert duneMethuen,London,1941;Wu Z.Geomorphology of Wind-driftSands and Their Controlled Engineering.Beijing:Science Press,2003]；以及利用风沙流中输沙量沿高度的分布曲线下延至地表处来估算蠕移层输沙量[Dong Z B.,Liu X P.,Wang H T.,Zhao AG.,Wang X M.,2002a.The flux profile of a blowing sand cloud:awind tunnel investigation.Geomorphology,2002,49:219-230]。但是上述两个方法获得的蠕移层输沙量，既包括了蠕移层输沙量，也包括了部分跃移层沙粒的影响。不能消除跃移层沙粒的影响，将导致研究结果不能反映客观情况。因此，准确测定蠕移层输沙量就成为风沙学界关注的焦点，但目前还没有风沙蠕移层输沙量的专门测量仪器和测量方法。

发明内容

发明要解决的问题

为此，本发明的目的是提供一种风沙蠕移层输沙量测量装置以及测量方法，该测量装置以及测量方法能够消除跃移沙粒对蠕移输沙量的影响，从而准确地测定蠕移层输沙量。

用于解决问题的方案

一种测量装置，其用于测量风沙蠕移层输沙量，该测量装置包括多个收集部件，所述各收集部件内部形成收集腔，所述各收集腔均具有入口，所述入口位于所述各收集部件的上表面，所述各入口的等效长度相等并且各入口的面积不相等。

所述各入口均为矩形，并且各矩形入口的长度相等并且宽度不相等。

所述各收集部件均设有滑动片，滑动所述滑动片能够改变所述入口的面积。

所述各入口的形状均为完全凸形。

所述测量装置还包括保持架，所述各收集部件固定在所述保持架上。

所述测量装置还包括调平机构，所述调平机构用于调节所述各收集部件的上表面的倾斜度，使得所述各收集部件的上表面位于水平面内。

一种测量方法，其使用上述测量装置测量风沙蠕移层输沙量，该测量方法包括如下步骤：

①布置所述测量装置，保证所述各收集部件的上表面与沙床的表面平齐；

②使风沙蠕移层从所述测量装置上方运动一定的时间t；

③测量各收集腔中收集的沙粒的质量m_i以及各收集腔的入口的面积S_i，其中，i=1,2，...,N，N是所述收集腔的总数；

④计算蠕移层输沙量，计算方法如下：

设各收集腔入口的等效长度均为L，各收集腔入口单位等效长度单位时间内捕获的蠕移沙粒质量为q₀、单位面积单位时间内捕获的跃移沙粒质量为中k₀,可得到方程组

\{\begin{matrix} m_{1} = L \cdot q_{0} \cdot t + S_{1} \cdot k_{0} \cdot t \\ m_{2} = L \cdot q_{0} \cdot t + S_{2} \cdot k_{0} \cdot t \\ . \\ . \\ . \\ m_{N} = L \cdot q_{0} \cdot t + S_{N} \cdot k_{0} \cdot t \end{matrix},

将步骤③中测量的数值和所述时间代入上述方程组，利用最小二乘法得到q₀、k₀，从而得到蠕移层输沙量Q=L·q₀·t。

测量装置测量风沙蠕移层输沙量的另一种测量方法，所述各入口均为矩形，并且各矩形入口的长度均为L、宽度分别为D_i，其中，i=1,2，...,N，N是所述收集腔的总数；各矩形入口在与沙粒蠕移运动的方向垂直的方向上并列且错开的布置，并且所述各矩形入口的长度方向相互平行，沙粒蠕移运动的方向沿着各矩形入口的宽度方向；步骤④中的方程组变为

\{\begin{matrix} m_{1} = L \cdot q_{0} \cdot t + L \cdot D_{1} \cdot k_{0} \cdot t \\ m_{2} = L \cdot q_{0} \cdot t + L \cdot D_{2} \cdot k_{0} \cdot t \\ . \\ . \\ . \\ m_{N} = L \cdot q_{0} \cdot t + L \cdot D_{N} \cdot k_{0} \cdot t \end{matrix} .

发明的效果

（1）利用本发明的测量装置和测量方法，能够同时得到各入口单位等效长度单位时间内捕获的蠕移沙粒质量q₀、单位面积单位时间内捕获的跃移沙粒质量为k₀，从而精确地确定风沙蠕移层的输沙量。

（2）根据本发明的测量装置，各入口均为矩形，并且各矩形入口的长度相等并且宽度不相等。这种设置容易实现各入口具有相同的等效长度并且容易测量各入口的面积，从而容易控制实验条件，精确地完成对蠕移层输沙量的测量。

（3）根据本发明的测量装置，所述各收集部件均设有滑动片。这样利用滑动片来改变所述入口的面积，相比入口面积固定的情况，该设置容易实现不同入口面积之间小的阶差，从而使得实验数据更丰富。

（4）根据本发明的测量装置，所述各入口均为完全凸形。选择完全凸形的入口的原因是，存在凹部的入口在其凹部处会阻挡部分跃移沙粒从入口进入收集腔内，同时落到凹部处的部分沙粒会反弹进入收集腔内。因此，无论该凹部的面积算入或不算入入口的总面积，均会影响测量的精度。故而，优选地，设置所述各入口均为完全凸形。

附图说明

下面将结合附图详细地说明本发明的具体实施方式。附图中，

图1是本发明所述风沙蠕移层输沙量测量装置的主视图；

图2是本发明所述测量装置的侧视图；

图3是本发明所述测量装置的俯视图；

图4是单独示出保持架的结构的俯视图；

图5是单独示出收集部件的俯视图，其中去除了收集部件周围的支撑凸部；

图6是沿图3中的线A－A截取的剖视图；

图7是使用本发明的测量装置进行风沙蠕移层输沙量的测量时的示意图；

图8A是示出具有滑动片的收集部件的剖视图；

图8B是具有滑动片的收集部件俯视图，图8B中略去了收集部件的支撑凸部；

图9是示出入口的等效长度的图。

附图标记说明

1测量装置，2保持架，201插入孔，3收集部件，301支撑凸部，302收集腔，303上壁，304入口，4调平机构，5实验板，6沙床，7滑动片，701固定螺栓，702长孔。

具体实施方式

本发明所述的测量装置1可用于测量风沙蠕移层输沙量。测量装置1包括保持架2，图4为示出了保持架2的结构的俯视图。如图4所示，保持架2具有多个插入孔201，在本实施例中为三个插入孔201，当然在其他的实施例中可以改变插入孔201的数目。插入孔201用于插入收集部件3。在本实施例中各插入孔201均为矩形形状，并且各插入孔在保持架2的长度方向上并列且错开地设置，各插入孔在保持架2的长度方向上相互平行。

图1至图3是示出了保持架2的各插入孔201中插入了收集部件3的视图。在本实施例中，保持架2中插入了三个收集部件3，即三个插入孔201中全部插入了收集部件3。需要说明的是，在其他的实施例中可以根据需要选择插入的收集部件3的数目，例如可以在设有六个插入孔201的保持架2中插入四个或五个收集部件3，即插入孔201的数目不需要与收集部件3的数目相同。

从图1至图3可以看到，各收集部件3的周围具有支撑凸部301，支撑凸部301的相对的两个边的外边缘之间的距离大于插入孔201的相应的边长，从而保证将各收集部件3支撑在相应的插入孔201内而不至于从插入孔201漏下。此外，设置支撑凸部301可以防止沙粒从插入孔201和收集部件3之间的缝隙漏出。

图6示出了沿图3中的线A－A截取的剖视图。从图6可以看到，收集部件3的内部形成收集腔302，并且收集腔302在其上壁303开设有入口304。沙粒能够通过入口304进入收集腔302中。从图5可以更清楚地看到，在本实施例中入口304为矩形，更具体地，入口304是一个狭长的矩形形状的贯通孔。

除了入口304的尺寸以外，三个收集部件3其他部分的结构完全相同。如图5所示，各收集部件3的入口304之间的尺寸关系满足，各矩形入口304纵向的长度L相等，但是宽度D不相等，从而使得各矩形入口304的面积不相等。此外，还需要保证各入口304之间平行排列，这样当沙粒蠕移运动的方向与各入口304的宽度方向平行时，可以保证各入口304的等效长度相同。从图3可以看到，各入口304的宽度方向与保持架2的长度方向为同一方向。关于等效长度，稍后将作详细说明。

图7示出了将本发明的测量装置1用于风沙蠕移层输沙量测量的示意图。图7示出了将本发明的测量装置1用于风洞实验的示例。如图7所示，测量装置1的最下方设有调平机构4，调平机构4用于调节各收集部件3的上壁303的倾斜度，使得所述各收集部件3的上壁303位于水平面内。这里可以采用手动调平机构4，也可以采用自动化调平机构4。图7示出了采用具有三个调平螺栓的调平机构4，该三个调平螺栓分别位于水平面内的三角形的三个顶点。当然也可以采用其他形式的调平机构。关于调平机构4属于现有技术，此处不作过多的说明。

下面将结合图7详细地说明使用本发明的测量装置1测量风沙蠕移层输沙量的方法。如图7所示，在进行测量之前，需要布置测量装置1。将插有收集部件3的保持架2放入实验板5上开设的凹槽（图中未示出）中，使得各收集部件3的入口304的长度方向与沙粒蠕移运动方向垂直，然后在实验板5上铺设沙粒，通过调节调平机构4，可以做到各收集部件3的上壁303与沙床6的表面平齐。

然后进入实验环节，使风洞中的风速保持恒定，则在沙床6的表面形成风沙蠕移层。在图7中，风向沿着垂直于图面向里的方向，即风向与各入口304的宽度方向平行，从而可以保证沙粒蠕移运动的方向沿着各入口304的宽度方向。在实验环节中使风沙蠕移层从测量装置1的上方运动一定的时间t。在该时间t内，进入各收集腔302内的沙粒既有来自蠕移层的沙粒，也有跃移的沙粒。

实验完毕后，三个收集部件3中均收集不同数量的沙粒。测量各收集腔302中收集的沙粒的质量m_i以及各收集腔302的入口304的宽度D_i，其中，i=1,2,3。设各收集腔的入口304的单位长度单位时间内捕获的蠕移沙粒质量为q₀、单位面积单位时间内捕获的跃移沙粒质量为k₀，由于各收集腔302的矩形入口304的长度相同，均为L，可以得到如下由三个方程组成的方程组

\{\begin{matrix} m_{1} = L \cdot q_{0} \cdot t + L \cdot D_{1} \cdot k_{0} \cdot t \\ m_{2} = L \cdot q_{0} \cdot t + L \cdot D_{2} \cdot k_{0} \cdot t \\ m_{3} = L \cdot q_{0} \cdot t + L \cdot D_{3} \cdot k_{0} \cdot t \end{matrix} .

将测量得到的各收集腔302中收集的沙粒的质量m_i以及各收集腔302的入口304宽度D_i和时间t代入上述方程组，利用最小二乘法即可以得到q₀、k₀。从而，可以很容易地计算出蠕移层的输沙量Q＝L·q₀·t。

图8A和图8B示出了收集部件3的变形例。由图8A和图8B可以看出，收集部件3的上壁303上方设有滑动片7，滑动该滑动片7能够改变入口304的面积。在入口304为矩形的情况下，滑动片7亦是矩形形状，且滑动片7的与矩形入口304平行布置，滑动滑动片7可以改变矩形入口304的宽度。在该变形例中，各收集部件3的结构完全相同，各入口304的宽度由滑动片7的位置控制。

具体地，滑动片7贴着收集部件3的上壁303，并且具有沿着入口304的宽度方向延伸的长孔702。从图8B可以看到，在长孔702中设有固定螺栓701，固定螺栓701的螺杆与上壁303中的螺孔（未示出）螺纹连接。当滑动片7滑动到适当的位置时，拧紧固定螺栓201，利用从长孔702露出的固定螺栓701的头部可以将滑动片固定在该适当的位置。需要调节入口304的宽度时，松开固定螺栓701，可以再次移动滑动片7。当然，这里仅以示例的形式示出的滑动片7的基本原理，只要滑动片7可以实现对入口304的面积的调节，任何其他形式滑动片7均是可以的。例如，可以在滑片7上设置导轨，而在收集部件3外围设置导槽，将导轨卡入导槽内限定滑动片7的滑动路径，从而可以精确地移动滑动片7。在使用该具有滑动片7的收集部件3进行测量时，需要保证各滑动片7与沙床6的表面平齐。

需要说明的是，矩形入口304只是本发明优选的实施方式。在其他的实施例中，不必将入口304的形状限定为矩形。只需要满足各收集部件3的入口304的等效长度相等并且各入口304的面积不相等即可。所谓等效长度，是指入口304能够捕获蠕移层沙粒的最大长度。如图9所示，在入口304为曲面形状的情况下，等效长度是与沙粒蠕移方向平行的入口304的外切线之间的最大距离。例如，在图9中，等效长度为两条平行外切线T1和T2之间的距离。作为优选的实施方式，为了保证测量的精度，如图9所示，所采用的入口304的形状均为完全凸形，即入口304的外周均向外凸出而不存在任何向内的凹部。

当各入口304为曲面形状的情况下，实验完毕后，测量各收集腔302中收集的沙粒的质量m_i以及各收集腔302的入口304的面积S_i，其中，i=1,2，...,N，N是所述收集腔302的总数。此时蠕移层输沙量的计算方法为：

测量各收集腔302入口304的等效长度L，并设各收集腔302的入口304单位等效长度单位时间内捕获的蠕移沙粒质量为q₀、单位面积单位时间内捕获的跃移沙粒质量为中k₀,可得到方程组

\{\begin{matrix} m_{1} = L \cdot q_{0} \cdot t + S_{1} \cdot k_{0} \cdot t \\ m_{2} = L \cdot q_{0} \cdot t + S_{2} \cdot k_{0} \cdot t \\ . \\ . \\ . \\ m_{N} = L \cdot q_{0} \cdot t + S_{N} \cdot k_{0} \cdot t \end{matrix},

将各收集腔302中收集的沙粒的质量m_i以及各收集腔302的入口304的面积S_i和时间t代入上述方程组，利用最小二乘法即可得到q₀、k₀。从而容易获得蠕移层输沙量Q=L·q₀·t。

本发明不限于上述公开的内容，本领域技术人员可以根据上述内容进行组合或变型，均属于本发明专利保护范围。

Claims

1.一种测量装置（1），其用于测量风沙蠕移层输沙量，其特征在于，该测量装置（1）包括多个收集部件（3），所述各收集部件（3）内部形成收集腔（302），所述各收集腔（302）均具有入口（304），所述入口（304）位于所述各收集部件（3）的上表面，所述各入口（304）的等效长度（L）相等并且各入口（304）的面积（S_i）不相等。

2.根据权利要求1所述的测量装置（1），其特征在于，所述各入口（304）均为矩形，并且各矩形入口（304）的长度（L）相等并且宽度（D_i）不相等。

3.根据权利要求1或2所述的测量装置（1），其特征在于，所述各收集部件（3）均设有滑动片（7），滑动所述滑动片（7）能够改变所述入口（304）的面积。

4.根据权利要求1所述的测量装置（1），其特征在于，所述各入口（304）的形状均为完全凸形。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的测量装置（1），其特征在于，所述测量装置（1）还包括保持架（2），所述各收集部件（3）固定在所述保持架（2）上。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的测量装置（1），其特征在于，所述测量装置（1）还包括调平机构（4），所述调平机构（4）用于调节所述各收集部件（3）的上表面的倾斜度，使得所述各收集部件（3）的上表面位于水平面内。

7.一种测量方法，其使用权利要求1至6中的任一项所述的测量装置（1）测量风沙蠕移层输沙量，其特征在于，包括如下步骤：

①布置所述测量装置（1），保证所述各收集部件（3）的上表面与沙床（6）的表面平齐；

②使风沙蠕移层从所述测量装置（1）上方运动一定的时间t；

③测量各收集腔（302）中收集的沙粒的质量m_i以及各收集腔（302）的入口（304）的面积S_i，其中，i=1,2，...,N，N是所述收集腔（302）的总数；

④计算蠕移层输沙量，计算方法如下：

设各收集腔（302）入口（304）的等效长度均为L，各收集腔（302）入口（304）单位等效长度单位时间内捕获的蠕移沙粒质量为q₀、单位面积单位时间内捕获的跃移沙粒质量为中k₀,可得到方程组

\{\begin{matrix} m_{1} = L \cdot q_{0} \cdot t + S_{1} \cdot k_{0} \cdot t \\ m_{2} = L \cdot q_{0} \cdot t + S_{2} \cdot k_{0} \cdot t \\ . \\ . \\ . \\ m_{N} = L \cdot q_{0} \cdot t + S_{N} \cdot k_{0} \cdot t \end{matrix},

8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述各入口（304）均为矩形，并且各矩形入口（304）的长度均为L、宽度分别为D_i，其中，i=1,2，...,N，N是所述收集腔（302）的总数；各矩形入口（304）在与沙粒蠕移运动的方向垂直的方向上并列且错开的布置，并且所述各矩形入口（304）的长度方向相互平行，沙粒蠕移运动的方向沿着各矩形入口（304）的宽度方向；步骤④中的方程组变为

\{\begin{matrix} m_{1} = L \cdot q_{0} \cdot t + L \cdot D_{1} \cdot k_{0} \cdot t \\ m_{2} = L \cdot q_{0} \cdot t + L \cdot D_{2} \cdot k_{0} \cdot t \\ . \\ . \\ . \\ m_{N} = L \cdot q_{0} \cdot t + L \cdot D_{N} \cdot k_{0} \cdot t \end{matrix} .