С.В. Комонов, Е.Н. Комонова
Ветровая эрозия и пылеподавление
Курс лекций. — Красноярск: Изд-во СФУ, 2008. — 192 с.
Предыдущая |
Содержание статьи:
Глава 1. Ветровая эрозия
1.6. Теоретические основы процесса ветровой эрозии
1.6.1. Механика отложения, переноса и отделения материала (грунта)
Процесс ветровой эрозии является актуальным, т.к. ветровая эрозия – второй после водной фильтрации фактор распространения загрязнений. Подверженность почв ветровой эрозии определяется ветровым воздействием, а также совокупностью таких факторов как режим атмосферных осадков, температура, рельеф, гранулометрический, агрегатный состав и другие.
Сегодня существует много различных моделей ветровой эрозии. Но все они сходятся в одном, необходимо как можно более точно решить проблему, связанную с прогнозированием ветровой эрозии и разработать надежные и экономически выгодные методы защиты от эрозии. Для решения этих вопросов необходимо глубокое понимание этого на первый взгляд простого процесса.
Изучение ветровой эрозии осложняется разномасштабностью составляющих ее процессов, в основе которых лежат разные механизмы. Ученые разных стран по разному пытаются решить эту проблему, стремясь отыскать наиболее правильный подход. Разрабатываются все новые и новые модели ветровой эрозии, которые имеют дальнейшее применение на практике в противоэрозионных мероприятиях. И от того, насколько модель точна и проста в расчетах, можно судить об ее пригодности к применению на практике.
Модель, разработанная российскими учеными из МГУ Г.П. Глазуновым и В.М. Гендуговым и их “Механизмы ветровой эрозии”, являются достижением в том плане, что в ее разработке успешно используются методы, ранее не применявшиеся. В результате исследований установлено:
· тормозящий эффект поверхности,
· скорость ветра.
Чем ниже ветер дует над поверхностью грунта, тем выше тормозящий эффект.На высоте 3 см над поверхностью скорость ветра над шероховатой поверхностью больше, чем над гладкой.
Для расчета скорости на небольшой высоте используют уравнение Кармана, определяемое по формулы:
(5)
где – скорость над средней аэродинамической поверхностью (на высоте Z), м/с;
– высота над средней аэродинамической поверхностью, м;
– высота средней аэродинамической поверхности (изменяется по уравнению 2), м;
– скорость волочения частиц (скорость сдвига), м/с уравнение 7;
– универсальная постоянная Кармана (для турбулентного потока 0,4).
(6)
где – диаметр частицы грунта (песка ), при минимальной скорости ветра 2 м/с.
В закрытом канале, используемом для экспериментального определения удельной сдуваемости грунтовых частиц, динамическую скорость потока определяют через величину сдвигового напряжения на стенке канала по формуле:
(7)
где – сдвиговое напряжение у поверхности, находится по зависимости;
(8)
где – массовая плотность потока среды (воздуха),
– скорость воздуха на оси канала, м/с;
– число Рейнольдса определяемое по формуле;
(9)
где – кинематическая вязкость воздуха, (при температуре 15oC и нормальном давлении воздуха равна 0,145 10-4 м2/с;
– гидравлический радиус канала, м.
(10)
где и – сторона прямоугольного канала, м;
При определение различных параметров ветровой эрозии иногда расчеты производится в пересчете на песок. Для гидродинамических неровных границ, когда число Рейнольдса больше 90, формула принимает следующий вид:
(11)
где – эквивалент песчаной поверхности;
При меньше 3,5 – 4 граница поверхности является гладкой, и элементы неровности остаются в пределе ламинарного не турбулентного слоя. Величина турбулентности характеризует интенсивность и масштаб турбулентности. Ее определяют в аэродинамической установке или в полевых условиях при помощи ветрометра, флюгера, а так же по формуле:
(12)
где – средняя скорость сдвига, м/с;
– стандартное отклонение колебания скорости.
(13)
где и – соответственно начальная и максимальная скорость ветра, м/с.
Масштаб турбулентности, характеризующий размер вихрей определяют из соотношения:
(14)
где – средняя положительная скорость ветра или скорость скольжения над эродируемой поверхностью,
– число циклов колебаний скорости в секунду.
Численное значение этого отношения увеличивается с увеличением высоты над поверхностью грунта. При этом происходит импульсное движение частиц:
(15)
где – среднее давление;
– стандартное отклонение давления.
(16)
где – агрегатная плотность пылевых частиц, 2,4 – 2,6 кг/м3;
– плотность воздуха, 1,0 кг/м3.
В аэродинамической установке отношение максимального давления к среднему является наибольшим и поэтому возникает турбулентность.
Предыдущая |