铁路沿线沙生植物种子风传扩散的数值风洞模拟

为了研究铁路沿线沙生植物种子风传扩散机制所体现出的生态适应策略,本文以辽西北铁路沿线沙区段5种蒿属植物为研究对象,借助流体动力学方程和计算机图形学技术,采用数值风洞方法,模拟预测了在不同风速及释放高度条件下各物种种子扩散时间和扩散距离的变化趋势。软件模拟结果表明,（1）在释放高度和风速条件相同的情况下,5种蒿属植物种子的飞行时间和飞行距离与种子重量表现出相反的趋势,即随着种子重量的增大,其水平飞行时间和飞行距离减短。（2）在释放高度相同风速条件不同的情况下,5种蒿属植物种子的飞行时间和飞行距离与风速表现出相同的趋势,即种子的飞行时间和飞行距离随着风速的增大而增加。（3）在风速条件相同释放高度不同的情况下,5种蒿属植物种子的飞行时间和飞行距离与释放高度表现出相同的趋势,即种子的飞行时间和飞行距离随着释放高度的增加而增加。种子重量、风速及释放高度是影响种子扩散时间和扩散距离的敏感因素,在铁路沿线沙化地区筛选适宜的植物防沙措施进行生态修复的同时应结合考虑这些影响因素。     

不同秸秆移除条件下冻融对农田土壤风蚀可蚀性的影响

为研究实际生产中不同秸秆移除率条件下冻融作用对土壤风蚀指标的影响,2011—2013年在美国堪萨斯州3个县设置3个不同秸秆移除率:0,50%,100%,对春秋季节土壤侵蚀比（EF）、平均几何直径（GMD）、地表随机粗糙度（RR）进行了统计分析。结果表明:（1）在冻融作用下,秸秆留茬能够有效减轻土壤风蚀,随着秸秆移除率的增大,土壤EF值增大,GMD值、RR值减小;（2）经过2011—2012年的冻融作用,2012年春季Norcatur、Colby、Scott City三地秸秆100%移除组的EF值增幅分别为149%,185%,16%,50%移除组的EF值增幅分别为40%,152%,-28%,0移除组的EF值增幅分别为29%,47%,9%;（3）休耕对于增强土壤抗风蚀能力有一定积极作用。研究成果为我国易发生土壤风蚀季节性冻融地区的适宜秸秆移除率的研究提供参考。     

非对称翼型反装对H型垂直轴风力机流场分布的影响

H型垂直轴风力机(H-VAWT)是典型的升力型垂直轴风力机,且有集群式发展的潜力和优势.文中采用数值模拟的研究方法,建立二维模型,对比分析了使用非对称翼型的H-VAWT叶片反装时的流场结构,以及反装时叶片数对H-VAWT流场分布的影响.结果表明:对于非对称翼型的H-VAWT,叶片反装所产生的尾流湍流强度较叶片正装时大,且尾流的恢复能力差,进而影响到H-VAWT在风场中的布局,但是叶片的正装和反装对H-VAWT附近外流场中Y方向上流场分布的影响基本一致;随着叶片数的增加,反装叶片的H-VAWT本身产生尾流的湍流强度增加,这增强了下风轮区域叶片和上风轮区域叶片所产生湍流的相互作用,但是叶片数为3时,叶片的正装和反装所产生的湍流差别不大.     

叶片数对尾缘加弯板垂直轴风力机功率影响数值模拟

为了探究叶片数量对叶片尾缘加装弯板直线翼垂直轴风力机气动特性的影响,通过不同叶片数量下直线翼叶片尾缘加弯板对垂直轴风力机叶片周围流场改善情况的对比,分析其气动特性变化.选取NACA0018直线翼型作为研究对象,利用数值模拟计算7种弯板长度下,2,3,4这3种叶片数量下的直线翼垂直轴风力机动态输出特性和静态起动特性.研究结果显示:该类升力型垂直轴风力机的气动特性受到叶片数量和弯板长度的综合影响,弯弦比的增加能够提升风力机的阻力性能,但会弱化因叶片数量增加导致风力机产生的功率系数的差别;在不同叶片数量下,适当弯板长度对风力机静态起动性能具有优化作用,但其起到优化作用的方位角不同,且2叶片时优化效果最佳,平均转矩系数提升40%.该研究为垂直轴风力机叶片尾缘的设计与优化提供依据.     

风水复合侵蚀下锡林河流域不同管理方式 草地表土粒度特征

结合锡林河流域风水侵蚀情况,对锡林河流域围封天然草地、放牧草地、封育种植草地表层(0~5 cm)土壤粒度特征及其与风蚀、水蚀关系进行研究,结果表明:封育种植草地较放牧和天然草地在降低土壤风蚀和水蚀方面均起到了较明显的作用;锡林河流域草地表层土壤粒度组成以砂粒为主,其所占比例为75%~82%,放牧草地较天然草地及封育种植草地土壤粒度粗化明显,封育种植草地中蒙古冰草+草木樨草地土壤颗粒分选性较差,其余草地土壤颗粒分选性均为中等;研究区内粒径在160μm左右土壤颗粒为易受侵蚀土壤颗粒;研究区土壤粒度组成特征与风蚀、水蚀均有明显相关性,尤其与近地面20 cm风速和径流产流总量联系最为密切。     

民勤绿洲不同耕作方式农田表层土壤风蚀规律的风洞模拟研究

[目的]比较分析不同耕作方式下农田表层土壤防风蚀机理和效果,为区域社会经济和生态环境建设提供科学依据。[方法]利用室内风洞及相关配套设备对甘肃民勤绿洲区的免耕、少耕、秋翻和深松农田表层土壤进行风蚀测试,计算风蚀速率及输沙率,研究其风沙运动规律,分析各种耕作农田表层土壤防风蚀情况。[结果]耕作措施对土壤风蚀速率的影响与风速大小相关,风速较小时,不同耕作方式对风速的影响差异不显著,而当风速大于14 m/s后不同耕作农田表层土壤风蚀速率开始出现较明显差异;少耕、秋翻、深松等耕作方式对农田表层土壤风蚀速率和输沙率的影响差异不明显;免耕耕作方式下农田表层土壤风蚀速率和输沙率最低,风速越高,差距越大;风速、耕作以及两者交互作用对农田表层土壤风蚀速率和输沙率有极显著影响。[结论]免耕耕作能有效抵抗农田表层土壤的风蚀,大幅度减少输沙率,表现出极佳的抗风蚀效果。     

基于防风效益的毛乌素沙地沙柳灌丛平茬方法优选

针对当前毛乌素沙地沙柳灌丛衰退问题,设计维持丛状结构特征可持续的生态平茬方法,研究不同平茬方法下沙柳灌丛的风场结构与防风效益,为今后毛乌素沙地沙柳生态平茬提供理论指导。试验设定6种平茬强度(0、0.2Ф、0.4Ф、0.6Ф、0.8Ф、1.0Ф,Ф为灌丛蓬径),3种平茬模式(模式A:按平茬强度沿主风向从灌丛迎风面向背风面平茬、模式B:按平茬强度沿主风向从灌丛两侧向中间同时平茬、模式C:按平茬强度沿主风向从灌丛中间1/2处同时向两侧平茬,下同)来维持灌丛结构的可持续存在,分析平茬后灌丛保留结构的自身形态参数和防风效益的关系,并依此选出最优平茬方法。试验结果表明:平茬强度在0～0.4Ф范围内,模式A和B的灌丛形态参数和防风效益指标均无显著变化,但模式B防风效益优于模式A;而强度为0.6Ф及以上,3种平茬模式下,背风面的风速降幅均明显减小,防风距离逐渐缩短,与原灌丛防风效益差异显著,强度为0.4Ф是防风效益发生突变的临界点。对防风效益影响最大的形态参数是疏透度。研究得出合理的平茬方法为:沙柳灌丛以模式B进行平茬,平茬强度为0.4Ф。     

沙粒形状对风力机翼型磨损特性及临界颗粒Stokes数的影响

风力机不可避免地运行在风沙环境下,风沙对风力机叶片的磨损将造成机组的气动性能下降和发电量降低。研究风沙对风力机翼型的冲蚀磨损特性时,通常将沙尘颗粒简化为球形颗粒,忽略了实际非球形颗粒的影响,相关研究表明颗粒形状对材料的冲蚀磨损率有一定的影响,该文以NACA 0012翼型直叶段为对象,研究沙尘颗粒形状对风力机翼型的磨损特性、气动性能及其临界颗粒Stokes数的影响规律。通过对风沙环境下NACA 0012翼型直叶段的流场进行数值模拟,研究了4种不同形状(颗粒形状因子分别为0.671、0.75、0.846和1)颗粒情况下,风力机翼型的磨损特性随颗粒体积当量直径的变化规律,以及颗粒形状对翼型开始发生磨损时临界颗粒Stokes数范围的影响规律。结果表明:来流风速为14.6 m/s、攻角为6°时,4种颗粒形状下翼型的最大磨损率均随颗粒体积当量直径的增大先增大后减小然后再增大,颗粒直径达到80μm为翼型最大磨损率的转折点;同一颗粒体积当量直径时,球形颗粒比非球形颗粒对翼型的冲蚀磨损程度小;颗粒形状对翼型升力系数和升阻比的影响很小;4种颗粒形状情况下,翼型表面的磨损区域均随颗粒体积当量直径的增大逐渐从翼型的前缘附近沿翼型压力面向尾缘扩展,并且翼型磨损最严重区域出现在前缘附近;颗粒形状会影响翼型开始发生磨损的临界颗粒Stokes数范围,颗粒形状因子越小,翼型开始发生磨损的临界颗粒Stokes数越大,Stokes数可以作为判断翼型表面是否发生磨损的依据。研究结果可为风力机叶片的防风沙磨损设计提供参考。     

基于GPRS的土壤风蚀实时监测系统研制与测试

为克服野外观测和风洞测试的缺点与不足,提高观测数据的连续性、科学性与可靠性。该文综合无线传感网络技术、传感器技术、电子技术和网络通信技术,研制了热敏式风速传感器、分流对冲式风沙分离器和具有无线组网与自动数据采集处理功能的近地表风速廓线仪和多通道集沙仪,建立了基于GPRS网络的土壤风蚀监测系统,实现了被测区域环境温度、相对湿度、大气压力、近地表风速廓线和风沙流结构等参数的同步采集、实时处理和远程监测等功能。试验结果表明:风速传感器输出电压在0.3～4.3 V之间,响应时间小于3 s,有效测量范围在0～17 m/s,测量精度随风速增大而降低,在6和17 m/s风速下的测量精度分别为0.1和0.3 m/s;风沙分离器的降速效率和风沙分离效率分别在96%和99.8%以上,平均等动力性≥92%;称量系统有效测量范围在0～170 g,精度达0.01 g,短期静态误差和长期累积误差分别不超过±0.02 g和±0.04 g;9、12、15和18 m/s风速下的平均集沙效率达91.98%;无线通信建立时间≤5 s,中心汇聚节点可在3 s内实现一次节点遍历和数据汇聚,有效传输距离达140 m以上;风速廓线节点和集沙仪节点单次最大工作时长不低于6和22 h。在野外试验条件下,系统软硬件部分均运行稳定可靠,自组网数据传输的丢包率和错误次数为0,环境温度、相对湿度和大气压力的偏差分别小于2℃、4%和10 hPa;测得的近地表风速廓线与风沙流结构均符合指数分布规律,满足大尺度、跨区域野外土壤风蚀同步研究的需求。     

沙柳沙障防风阻沙效益的研究

以库布齐沙漠穿沙公路和神东矿区巴图塔沙柳基地为试验区,对沙柳沙障体系内外风速和输沙量进行了野外观测,根据调查和观测资料,利用surfer(8.0)软件作出沙障体系内外的风速流场图,并运用粗糙度(z0)、摩阻速度(u*)等物理参数,对复式沙柳沙障的防风效益和阻沙作用进行了系统研究。结果表明:半隐蔽式、平铺式沙柳沙障防沙体系内外,风速比(V2 m/V0.3 m)的变化随着向沙障体系的逐渐靠近呈非线性增大;粗糙度(z0)的变化则随风速比(V2 m/V0.3 m)的增大表现出两种情况:当旷野风速小于起沙风速时,其趋势线方程为多项式函数,当旷野风速大于起沙风速时,其趋势线方程为指数函数;在沙柳沙障防沙体系内外,由于沙颗粒与沙柳体系内沙柳发生碰撞,输沙率随防沙体系远近的分布不再简单遵循对数或者指数关系,其极值出现的距离随风速的增加而波动,由于沙柳沙障构成的下垫面复杂多变,其对风沙流结构与风沙活动层风速廓线的影响很难确定。