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所里的木蟲 (著名寫手)
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【轉(zhuǎn)帖】基金委重點項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 土壤風蝕和沙塵暴是人類面臨的重大自然環(huán)境災害之一，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)境保護和植被覆蓋。但從物理學的角度看，沙粒受氣流作用在地表和空中的運動是土壤風蝕、沙塵暴起動與發(fā)展的主要動因。 風沙運動機理研究是認識風沙災害本質(zhì)進而實現(xiàn)有效防治的基礎，2005年，為弄清風沙運動中的一些基本力學問題，國家自然科學基金委員會設立兩個重點項目對此展開研究。不久前，兩個重點項目順利結(jié)題并取得一系列成果。 促進基金項目競爭的嘗試 對風沙運動的力學機理研究是沙漠科學和防沙治沙工程關(guān)注的主要課題之一。自風沙物理學奠基人拜格諾（R. A. Bagnold）的《風沙和荒漠沙丘物理學》出版以來，風沙物理學在運動沙粒與地表互饋機制、風沙流結(jié)構(gòu)、能量與沙粒粒度分布、風沙流對各種材料的打磨作用等方面取得不少進展。 實踐表明，只有在風沙運動的力學機理研究方面獲得突破，才可能從本質(zhì)上弄清風與地表的互饋（地表風蝕和沙漠化過程）機制、沙塵物質(zhì)搬運和分選沉積過程，建立風沙防治工程設計原理。 2005年，國家自然科學基金委員會開始支持風沙運動的力學機理研究，國家自然科學基金委員會數(shù)理科學部力學科學處將“風沙運動研究中的若干基本力學問題”列為重點支持方向。在當年的重點項目立項中，數(shù)理科學部首次將競爭的理念貫穿于重點項目的各個環(huán)節(jié)，包括重點項目立項的遴選、項目評審、中期檢查和結(jié)題驗收，鼓勵重點項目領(lǐng)域之間和領(lǐng)域內(nèi)的競爭。在項目評審階段，除了對相同領(lǐng)域的重點項目申請進行打包評議和會議答辯外，還鼓勵相同領(lǐng)域內(nèi)不同技術(shù)路線和方法的重點項目之間的競爭。其中一個典型的例子，就是數(shù)理科學部力學科學處在“風沙運動研究中的若干基本力學問題”領(lǐng)域內(nèi)，同時資助了兩個重點項目。 這兩個同名的重點項目，一項由北京師范大學教授鄒學勇主持，另一項由蘭州大學教授鄭曉靜負責。前者對沙塵運動過程中關(guān)鍵的力進行了深入研究，后者通過研究層風沙流中沙粒帶電和風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，達到掌握風沙運動力學機理的目標。在兩個重點項目的會議評審過程中，專家評審組認為兩個項目研究的方法各有側(cè)重，可以做到優(yōu)勢互補，因此都給予了資助。 兩顆小球的“沙塵暴” 由于大氣和地表條件的多樣性以及地表沙粒運動與風場作用的相互耦合，導致風沙運動問題研究的情況比較復雜。基礎研究有時要假定一些理想的實驗條件，“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學勇說，“國家自然科學基金本身就以支持基礎研究為主，我們所進行的研究更是基礎中的基礎，除了一些公式和理論模型外沒有什么通俗的東西可說。雖說這項研究和沙塵暴相關(guān)，這一項目也取得了不錯的研究結(jié)果，但對今年的強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，鄒學勇帶領(lǐng)的研究團隊首先采用數(shù)值模擬方法對單個小球的阻力及其流動特性進行計算，并進一步探討了單球與雙球影響下的氣流場特征和球體阻力。 鄒學勇告訴記者，在風沙運動中，各個沙粒之間必定存在一定的干擾，如果用小球模擬沙粒進行研究可以發(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，隨著轉(zhuǎn)速的增加，兩球旋轉(zhuǎn)對流場非對稱性的影響進一步加劇，雙球干擾的效果逐漸加強。 鄒學勇團隊進行了單球和雙球排列并旋轉(zhuǎn)時受力的計算，不同方位雙球與多球系統(tǒng)中的小球受力計算，不同方位雙球的干擾阻力計算和多球系統(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的阻力，進行了不同粗糙表面大氣邊界層對風沙邊界層流動特性的影響實驗研究。研究人員計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)驗公式比較表明，傳統(tǒng)的非球型顆粒阻力經(jīng)驗公式計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算的基礎上，給出了阻力系數(shù)經(jīng)驗公式。 沙粒電場影響沙塵運動 隨著風沙運動機理研究和對沙塵暴觀測的深入，人們發(fā)現(xiàn)在風沙躍移運動和沙塵暴中的沙粒帶有電荷并形成風沙電場。沙粒的運動不僅導致沙粒帶電和風沙電場形成，而且也直接受到沙粒帶電和風沙電場的影響。 鄭曉靜認為，研究風沙電場的分布和變化規(guī)律，建立更接近實際風沙流運動的理論模型，研究粒徑、風場、地表和環(huán)境對輸沙量、風沙流結(jié)構(gòu)、沙粒濃度等宏觀量的影響,對于促進風沙運動理論研究和防沙治沙實踐都有十分重要的意義。 為了弄清風沙電的起因以及揭示其影響規(guī)律，蘭州大學風沙環(huán)境力學研究組從力學和地學的交叉角度，通過野外觀測、風洞實驗、理論建模和計算機模擬研究，探討了風沙運動中沙粒帶電的機理、風沙電場分布規(guī)律、沙粒帶電對風沙運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。揭示了風沙流中沙粒帶電量和風沙電場的基本規(guī)律及其對風沙流和無線電通訊的影響，實現(xiàn)了對多物理場耦合作用風沙流發(fā)展過程的理論預測以及對風成沙波紋主要特征的計算機模擬，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)，對風沙運動研究中重大問題納入同一散體模型，并對風沙運動過程中沙粒所表現(xiàn)出的各種運動方式，視為風沙系統(tǒng)的動力學同一問題進行整體描述。在此基礎上，可建立相應的實驗模型，對散體動力學模型的理論模擬結(jié)果和實驗結(jié)果進行對比，為風沙運動的分析研究提供新的思路。 |
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