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
1.6.2. Тормозящий эффект шероховатости поверхности
При постоянной степени шероховатости поверхности и пороговой скорости точки высота остается неизменной. Профиль скоростей в этой точке называется фокусом точки – это точка, в которой встречаются все профили скоростей.
В основу практических расчетов, связанных с распределением усредненных продольных скоростей воздушного потока по вертикали, применяют логарифмическую зависимость, в которой для обозначения высоты принято использовать букву z:
(17)
где — скорость ветра на высоте z, м/с;
K — безразмерная постоянная Кармана, равная 0,4;
— величина, имеющая размерность скорости, так называемая «динамическая скорость», м/с.
(18)
где – касательное напряжение трения, Н/м2;
– плотность воздуха, кг/м3;
– расстояние от поверхности грунта, на котором скорость воздушного потока предполагается равной нулю, м. Оно, очевидно, связано с высотой неровностей на поверхности: чем выше неровности, тем сильнее тормозится поток, тем больше . В связи с этим величину назвали параметром шероховатости грунтовой поверхности.
Поскольку параметр шероховатости является характеристикой аэродинамического сопротивления поверхности, следует ожидать его зависимости от величины и взаимного расположения выступов на этой поверхности. Опытами многих авторов в аэродинамических трубах, а также измерениями в натурных условиях найдена зависимость параметра шероховатости от характеристик поверхности, обтекаемой воздушным потоком. Так, в случае плоской поверхности, покрытой одинарным слоем песчинок одинакового размера при максимальной плотности их расположения на этой плоскости, зависимость имеет вид:
(19)
В случае неоднородной по форме поверхности, каковой обычно является поверхность грунта, зависимость сильно усложняется. Если на поверхности грунта нет растительности, то величина параметра шероховатости укладывается в диапазон:
(20)
где — высота выступов на поверхности грунта, представленных почвенными агрегатами, гребнями борозд.
Для экспериментального определения величины наносим на график (рисунок 5) результаты синхронного измерения скоростей ветра на разных высотах. В координатах и получится логарифмическая кривая, описываемая уравнением 17. Если те же данные нанести в координатах и , получим прямую, пересекающую ось в точке (рисунок 6). При этом тангенс угла оказывается равным .
Рисунок 5 — Зависимость скорости ветра от высоты
Если на поверхности грунта имеется растительность, то над ней логарифмический профиль для скорости ветра также выполняется, однако величина параметра шероховатости в этом случае зависит от высоты растений. По данным ряда авторов величина в 7-300 раз меньше средней высоты растений. Столь большой разброс значений коэффициента указывает на то, что параметр шероховатости зависит не только от высоты растений. Он, очевидно, должен зависеть и от полноты насаждения, его формы, определяемой биологическим видом растительности, ее возрастом (или фазой развития). Значения параметра для некоторых видов поверхности, в том числе занятой растительностью, приведены в таблице 6.
Рисунок 6 — Зависимость логарифмической кривой
от скорости ветра
Таблица 6 – Параметр шероховатости разных видов земной поверхности
Вид поверхности |
, см |
Поверхность пустыни |
0,03 |
Снежная поверхность |
0,05 – 0,1 |
Скошенная трава, пашня |
1 |
Пшеничное поле |
5 |
Трава высотой до 60 см |
4 – 9 |
Лес, парк (деревья до 10 м) |
20 – 100 |
Предыдущая |