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【轉(zhuǎn)帖】基金委重點(diǎn)項(xiàng)目探究沙塵暴起動與發(fā)展動因 已有2人參與
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http://news.sciencenet.cn//htmlnews/2010/5/231916.shtm 土壤風(fēng)蝕和沙塵暴是人類面臨的重大自然環(huán)境災(zāi)害之一，它直接關(guān)系著人類的生存環(huán)境和生活質(zhì)量。對肆虐的沙塵暴，人們更多地將關(guān)注的目光投向環(huán)境保護(hù)和植被覆蓋。但從物理學(xué)的角度看，沙粒受氣流作用在地表和空中的運(yùn)動是土壤風(fēng)蝕、沙塵暴起動與發(fā)展的主要?jiǎng)右颉?br /> 風(fēng)沙運(yùn)動機(jī)理研究是認(rèn)識風(fēng)沙災(zāi)害本質(zhì)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效防治的基礎(chǔ)，2005年，為弄清風(fēng)沙運(yùn)動中的一些基本力學(xué)問題，國家自然科學(xué)基金委員會設(shè)立兩個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目對此展開研究。不久前，兩個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目順利結(jié)題并取得一系列成果。 促進(jìn)基金項(xiàng)目競爭的嘗試 對風(fēng)沙運(yùn)動的力學(xué)機(jī)理研究是沙漠科學(xué)和防沙治沙工程關(guān)注的主要課題之一。自風(fēng)沙物理學(xué)奠基人拜格諾（R. A. Bagnold）的《風(fēng)沙和荒漠沙丘物理學(xué)》出版以來，風(fēng)沙物理學(xué)在運(yùn)動沙粒與地表互饋機(jī)制、風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)、能量與沙粒粒度分布、風(fēng)沙流對各種材料的打磨作用等方面取得不少進(jìn)展。 實(shí)踐表明，只有在風(fēng)沙運(yùn)動的力學(xué)機(jī)理研究方面獲得突破，才可能從本質(zhì)上弄清風(fēng)與地表的互饋（地表風(fēng)蝕和沙漠化過程）機(jī)制、沙塵物質(zhì)搬運(yùn)和分選沉積過程，建立風(fēng)沙防治工程設(shè)計(jì)原理。 2005年，國家自然科學(xué)基金委員會開始支持風(fēng)沙運(yùn)動的力學(xué)機(jī)理研究，國家自然科學(xué)基金委員會數(shù)理科學(xué)部力學(xué)科學(xué)處將“風(fēng)沙運(yùn)動研究中的若干基本力學(xué)問題”列為重點(diǎn)支持方向。在當(dāng)年的重點(diǎn)項(xiàng)目立項(xiàng)中，數(shù)理科學(xué)部首次將競爭的理念貫穿于重點(diǎn)項(xiàng)目的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括重點(diǎn)項(xiàng)目立項(xiàng)的遴選、項(xiàng)目評審、中期檢查和結(jié)題驗(yàn)收，鼓勵(lì)重點(diǎn)項(xiàng)目領(lǐng)域之間和領(lǐng)域內(nèi)的競爭。在項(xiàng)目評審階段，除了對相同領(lǐng)域的重點(diǎn)項(xiàng)目申請進(jìn)行打包評議和會議答辯外，還鼓勵(lì)相同領(lǐng)域內(nèi)不同技術(shù)路線和方法的重點(diǎn)項(xiàng)目之間的競爭。其中一個(gè)典型的例子，就是數(shù)理科學(xué)部力學(xué)科學(xué)處在“風(fēng)沙運(yùn)動研究中的若干基本力學(xué)問題”領(lǐng)域內(nèi)，同時(shí)資助了兩個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目。 這兩個(gè)同名的重點(diǎn)項(xiàng)目，一項(xiàng)由北京師范大學(xué)教授鄒學(xué)勇主持，另一項(xiàng)由蘭州大學(xué)教授鄭曉靜負(fù)責(zé)。前者對沙塵運(yùn)動過程中關(guān)鍵的力進(jìn)行了深入研究，后者通過研究層風(fēng)沙流中沙粒帶電和風(fēng)沙電場變化的一般規(guī)律以及沙粒起躍初速度（含角速度）概率分布密度函數(shù)和擊濺函數(shù)的研究，達(dá)到掌握風(fēng)沙運(yùn)動力學(xué)機(jī)理的目標(biāo)。在兩個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目的會議評審過程中，專家評審組認(rèn)為兩個(gè)項(xiàng)目研究的方法各有側(cè)重，可以做到優(yōu)勢互補(bǔ)，因此都給予了資助。 兩顆小球的“沙塵暴” 由于大氣和地表?xiàng)l件的多樣性以及地表沙粒運(yùn)動與風(fēng)場作用的相互耦合，導(dǎo)致風(fēng)沙運(yùn)動問題研究的情況比較復(fù)雜。基礎(chǔ)研究有時(shí)要假定一些理想的實(shí)驗(yàn)條件，“我們就以單球和雙球影響下的氣流場特征和球體阻力等方面展開研究�！编u學(xué)勇說，“國家自然科學(xué)基金本身就以支持基礎(chǔ)研究為主，我們所進(jìn)行的研究更是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)，除了一些公式和理論模型外沒有什么通俗的東西可說。雖說這項(xiàng)研究和沙塵暴相關(guān)，這一項(xiàng)目也取得了不錯(cuò)的研究結(jié)果，但對今年的強(qiáng)沙塵天氣我們并不能給出適合公眾口味的專業(yè)意見。” 據(jù)了解，鄒學(xué)勇帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)首先采用數(shù)值模擬方法對單個(gè)小球的阻力及其流動特性進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)一步探討了單球與雙球影響下的氣流場特征和球體阻力。 鄒學(xué)勇告訴記者，在風(fēng)沙運(yùn)動中，各個(gè)沙粒之間必定存在一定的干擾，如果用小球模擬沙粒進(jìn)行研究可以發(fā)現(xiàn)，隨著球間距的增加，兩球的阻力系數(shù)都得到了顯著的增大，不過增加的幅度卻遞減。同時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，兩球旋轉(zhuǎn)對流場非對稱性的影響進(jìn)一步加劇，雙球干擾的效果逐漸加強(qiáng)。 鄒學(xué)勇團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了單球和雙球排列并旋轉(zhuǎn)時(shí)受力的計(jì)算，不同方位雙球與多球系統(tǒng)中的小球受力計(jì)算，不同方位雙球的干擾阻力計(jì)算和多球系統(tǒng)中的小球受力研究，并探討了非球型顆粒在不同來流方向時(shí)的阻力，進(jìn)行了不同粗糙表面大氣邊界層對風(fēng)沙邊界層流動特性的影響實(shí)驗(yàn)研究。研究人員計(jì)算了均勻氣流條件下立方體、四面體、圓柱體顆粒的三維繞流流場，得到了三種非球型顆粒在不同來流方向下的阻力系數(shù)、速度分布、壓力分布。研究發(fā)現(xiàn)，繞流阻力受來流方向的影響明顯，與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式比較表明，傳統(tǒng)的非球型顆粒阻力經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值近似于單一角度下的值，而非平均值。在以上三種非球形顆粒多角度繞流計(jì)算的基礎(chǔ)上，給出了阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式。 沙粒電場影響沙塵運(yùn)動 隨著風(fēng)沙運(yùn)動機(jī)理研究和對沙塵暴觀測的深入，人們發(fā)現(xiàn)在風(fēng)沙躍移運(yùn)動和沙塵暴中的沙粒帶有電荷并形成風(fēng)沙電場。沙粒的運(yùn)動不僅導(dǎo)致沙粒帶電和風(fēng)沙電場形成，而且也直接受到沙粒帶電和風(fēng)沙電場的影響。 鄭曉靜認(rèn)為，研究風(fēng)沙電場的分布和變化規(guī)律，建立更接近實(shí)際風(fēng)沙流運(yùn)動的理論模型，研究粒徑、風(fēng)場、地表和環(huán)境對輸沙量、風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)、沙粒濃度等宏觀量的影響,對于促進(jìn)風(fēng)沙運(yùn)動理論研究和防沙治沙實(shí)踐都有十分重要的意義。 為了弄清風(fēng)沙電的起因以及揭示其影響規(guī)律，蘭州大學(xué)風(fēng)沙環(huán)境力學(xué)研究組從力學(xué)和地學(xué)的交叉角度，通過野外觀測、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、理論建模和計(jì)算機(jī)模擬研究，探討了風(fēng)沙運(yùn)動中沙粒帶電的機(jī)理、風(fēng)沙電場分布規(guī)律、沙粒帶電對風(fēng)沙運(yùn)動的微宏觀物理量以及沙塵暴中沙粒帶電對電磁波散射的影響等內(nèi)容。揭示了風(fēng)沙流中沙粒帶電量和風(fēng)沙電場的基本規(guī)律及其對風(fēng)沙流和無線電通訊的影響，實(shí)現(xiàn)了對多物理場耦合作用風(fēng)沙流發(fā)展過程的理論預(yù)測以及對風(fēng)成沙波紋主要特征的計(jì)算機(jī)模擬，取得一些原創(chuàng)性的成果。 研究人員還從單顆沙粒這一基本尺度出發(fā)，對風(fēng)沙運(yùn)動研究中重大問題納入同一散體模型，并對風(fēng)沙運(yùn)動過程中沙粒所表現(xiàn)出的各種運(yùn)動方式，視為風(fēng)沙系統(tǒng)的動力學(xué)同一問題進(jìn)行整體描述。在此基礎(chǔ)上，可建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ�，對散體動力學(xué)模型的理論模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，為風(fēng)沙運(yùn)動的分析研究提供新的思路。 |
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西南科技大學(xué) 調(diào)劑 綿陽
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2樓2010-05-21 19:03:06
所里的
木蟲 (著名寫手)
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3樓2010-05-21 22:40:50
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