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　　摘要：對于大氣邊界層中的固體粒子的風致運動——較大粒子的蠕動躍動和較小粒子的懸浮——的主要特征作了介紹.著重介紹了在懸浮粒子運動的物理模擬研究方面的一些成果：復雜地形和低層大氣湍流會顯著地提高起塵速率并改變降塵量的分布；有一定順風向厚度的風障除了屏蔽效應——即背風側平均風速的減小——外，還有減小最終進入空氣的灰塵數量的“宏觀吸附效應”；總結了模擬懸浮粒子運動的風洞實驗所應遵循的相似性準則，并提出了模擬防塵風障的實驗中的一個新的相似參數——孔徑雷諾數，并初步測定了它的臨界數值.

　　關鍵詞：大氣邊界層；空氣塵污染；起塵速率；風障；風洞實驗.

　　1　引言

　　在廣闊的歐亞大陸的中心，包括中國的西北部在內，遠離海洋，降水稀少，且日照強烈.在氣候與地質條件幾百萬年的聯合作用下，這里變成了干旱的沙漠戈壁.該地區冬春季多大風，強風卷起了沙塵，較大的砂礫首先在下風向近處降落下來，造成沙漠的遷移.細塵(懸浮顆粒)升至高空，被中緯度氣流攜帶向東至更遠的距離，在東經102—114度之間的位置上沉降下來，形成了今天著名的黃土高原.有時這些浮塵可以一直飄到朝鮮半島和日本列島，并在那里沉降下來.所以，固體粒子的風致遷移構成了上述自然過程.這個過程已經持續了幾百萬年，今后還將繼續下去.對上述自然過程施加有益的影響，以改善人類的生存環境是極其重要的.方法之一是在上述干旱地區大規模植樹.其它與固體粒子在大氣中的運動有直接關系的工程應用的例子有：農田的風蝕及防護林的防護效應，空氣的塵污染，公路和鐵路的防沙防雪(沙障、雪障)，以及寒帶建筑物的防積雪等.風洞模擬實驗(物理模擬)對了解固體粒子風致運動的機理以及工程科學應用方面的規律作出重要的貢獻.近年來，計算機數值模擬與物理模擬相結合或與現場觀測相結合，得到了許多有益的結果.本文在介紹大氣邊界層中固體粒子風致運動的一般特征以及對懸浮微粒(飄塵)運動規律的研究時，均著重在物理模擬(環境風洞實驗)的方法(實驗原理)和結果的討論方面.

　　2　低層大氣中固體粒子運動的一般特征

　　首先應當指出，盡管較大粒子的蠕動躍動和較小粒子的懸浮運動是同時發生的，二者的運動機理和規律以及實際的應用都很不同.前者的例子如沙粒與雪粒的運動，前人已經作了較多的理論和實驗研究.空氣的塵污染則是由直徑小于100μm的極微小的懸浮顆粒造成的，其動力學規律的研究，例如最重要的起塵速率的研究迄今很少.

　　2.1　粒子在貼近地面氣流中所垂直分布及其對氣流的影響

　　測量表明，氣流中的攜帶的雪粒的垂直分布大致可分為兩層，其分界約在8－15cm的高度(依邊界條件而定).下層是躍動層，上層是懸浮層.對上層，雪濃度的對數 lnC(z)(C的單位是g/m3)與高度的對數lnz成線性關系；在下層，對數傳輸通量lnQ(z)(Q的單位是g/(m*min))與高度z成線性關系［1］.由于沙粒的比重大于雪粒的比重，沙粒的情況又有些差別.在下層，傳輸通量的對數是與高度的平方根成正比［2］.對于傳輸速率Q，躍動粒子的貢獻一般要占到80%以上.

　　另一方面，在被風攜帶的同時，近地層氣流中的雪、沙、土等固體顆粒對流動的特征亦有影響.風洞模擬實驗的結果表明，這種影響主要表現在：流場中某點的湍流度隨該點粒子濃度的增大而減少.與此同時，實驗結果表明，邊界層中平均速度的分布——無論下層界壁律還是上層尾流律——均不受粒子存在的影響，且Von Karman常數κ的數值并未象預料的那樣，由于粒子濃度而有相應的改變［2］.

　　2.2　閾值(起動)風速及粒子質量遷移的速率

　　只有當風速足夠高，作用在固體粒子上的風力超過重力和粘附力時，粒子才能運動.這表明存在一個速度的閾值，即起動風速Vt.上述風力可認為正比于ρu′2d2，重力則正比于ρ′gd3

　　假定粘附力的作用比重力小得多，則可得出閾值摩擦速度的表達式：

　　 　(1)

　　上式中ρ和ρ′分別代表空氣的密度和固體粒子的密度，u′和u′0分別代表摩擦速度和閾值摩擦速度，d為粒子的直徑，g為重力加速度，A是一個須由實驗確定的系數［3］.經典的風洞實驗測量結果如圖1，它表明，對直徑大于0.20mm的粒子來說，上述平方根正比關系是肯定的.更小粒子(它們主要作懸浮運動)的起動機制要更復雜，并且粘附力的作用變得更重要，故此圖中直徑小于0.20mm的粒子的閾值摩擦速度不再符合式(1).

 

圖1　閾值摩擦速度與粒子直徑的關系
Fig.1 Threshold friction velocity relative to particle diameter

　　由于實際地表面中固體顆粒的直徑范圍極廣，故其閾值(起動)風速必須通過實驗測定之.此外，地表面的濕度，壓實的程度，有否礫石覆蓋，有否植物覆蓋等等因素，都對實際地面起動風速及粒子的遷移速率有重要影響［4］.

　　粒子遷移速率是另一個主要的參數，對其應分兩種情況考慮：當研究雪、沙等較大顆粒的水平遷移運動時，討論的是水平質量通量(單位時間通過橫風向單位長度的粒子質量)Q，前已述及，該通量主要是躍動粒子的貢獻；而當研究地表面向空氣排放細微(懸浮)固體顆粒的過程時，討論的是粒子排放速率(起塵速率，即單位時間從單位表面積排入空氣的細微固體粒子質量)Qe(這里所謂細微固體粒子，經常指的是總懸浮顆粒TSP，即直徑小于100?μm的粒子，或直徑小于10μm的塵埃(PM10) ).兩種情況下粒子的運動機理相差較大，又，較大粒子的存在和運動(蠕動和躍動)對懸浮粒子的飛起有重大影響.

　　2.3　沙雪粒運動(蠕動和躍動)的物理模擬與佛洛德數相似困難

　　當在風洞中模擬沙雪粒子的運動和堆積過程時，應滿足的相似性原則主要為：(1)大氣邊界層流動，包括平均風速廓線和湍流度廓線，以及繞障礙物的流動特征的相似.障礙物(例如建筑物)改變了速度的分布，所造成的空氣動力學畸變，如流動的分離、尾流的湍流渦漩、加速區與減速區等等，對雪粒沙粒的運動及其在建筑物附近的堆積過程有嚴重的影響.(2)模擬實驗中可使用沙子也可使用其它顆粒物質(如碳酸氫鈉)作為模型粒子.實驗中應保證：模型粒子在空氣中的重力沉降末速度與閾值摩擦速度之比uf/u′0以及對空氣的相對密度ρ′／ρ分別等于其原型(大氣現場中的)數值；又，在模型實驗中的摩擦速度與其閾值摩擦速度(起動摩擦風速)之比u′/u′0與其原型數值相等.詳細的討論見文獻［5］.

　　前已述及，沙雪的運動及堆積取決于沙雪粒子的躍動，其軌跡取決于風力和重力的聯合作用.顯然，代表二者之比值的佛洛德(Froude)數Fr＝U2/Lg，是必須保證的基本相似參數.然而，佛洛德數在風洞中卻不能模擬.其結果是，躍動粒子的運動軌跡并不按和空氣的流動一樣的幾何比例縮小.這在模擬實驗理論上是一個根本性的障礙［6］.

　　然而，在建筑物附近，由于流動的畸變及強烈的湍流化，作為低階近似，可認為躍動粒子的運動軌跡主要取決于流場的尺度，而受躍動尺度本身的影響是次要的.具體說來，對于沙粒和雪粒這樣大小比較均勻的固體顆粒，運動始于蠕動和躍動；隨著風速的增大，較小的躍動粒子變成了懸浮的顆粒.粒子運動這種對風速的依賴性決定了雪在建筑物周圍的堆積過程：躍動粒子堆在迎風面，而堆積在背風面的是懸浮粒子，而且絕大多數的躍動粒子在背風面的尾流渦漩中都要變成懸浮狀態.模擬實驗結果表明，雪在建筑物頂的沉積及在建筑物附近的堆積，和沙在建筑物附近的堆積基本上與大氣現場的觀測結果是一致的［7］，這表明，粒子運動的相似性在該種條件下可認為基本得到保證，佛洛德數相似要求不滿足在這種情況下是可以接受的.

　　3　塵埃(懸浮顆粒)運動的物理模擬

　　表1　不同濕度和湍流度下的閾值風速
Table 1 Threshold wind speed vs. humidity and turbulence intensity

　　3.1　湍流和復雜地形的作用及其模擬

　　在模擬直徑很小的懸浮粒子(塵埃)的飛起、傳輸及沉降時，不存在佛洛德(Froude)數相似困難，因為這些懸浮粒子的運動基本上是被空氣所攜帶，較大粒子的躍動不是模擬的主要對象，雖然后者對前者有影響.但在另一方面，實驗中測定單位時間從單位表面積飛起的塵埃數量(即其起塵速率)Qe時，應注意將躍動粒子排除.

　　事實上，起塵表面的壓實(成塊) 、濕度、有否礫石覆蓋及植被覆蓋等因素強烈地影響到懸浮粒子的飛起過程［4］.較大粒子的存在及運動(蠕動、躍動)也對其飛起有嚴重影響.因此，在模擬實驗中應使用真實煤粉、沙土、灰土等制作模型起塵表面，而不能象模擬躍動粒子時那樣，用直徑均一的模型粒子來代替真實的雪粒和沙粒［8］.

　　風洞實驗中必須模擬大氣邊界層湍流，因其對懸浮粒子的飛起及其后續的傳輸及沉降運動有嚴重的影響［9］.由表1實驗結果看出，高湍流度氣流中的煤堆的閾值風速為2.6m/s，遠小于在低湍流度氣流中的數值(4.3和5.1m/s)，且對煤粉濕度不再敏感.

　　而由表2所列數據之比較，我們可以看出，在平均風速及濕度條件不變的情況下，高湍流度氣流(I=36%)中的起塵速率竟為低湍流度氣流(I=6%)情況下的3.9倍.

表2　各種條件下的起塵速率
Table 2 Dust emission rate in various tests

圖2　降塵量隨下風距離的衰減
Fig.2 Decrease in dust depositionwith downwind distance

　　圖2是作者測定的地面降塵量隨下風距離的衰減；上面的那條擬合線是大湍流度氣流實驗(LDT-5)的結果，下面一條則是小湍流度氣流(LDS-5)情況.低層大氣湍流的影響是顯然的.

　　另一方面，復雜地形——地形的起伏以及建筑物等——造成了氣流的擾動，增大了其垂直速度分量和湍流強度.這些因素都將促使表面起塵速率增大，故必須加以模擬［10］.圖3為某煤廠平面設計略圖.其中三角形區域IJK為一組高大建筑物，沿主導風向正對煤堆的中心.風洞實驗中測定煤堆表面起塵速率為0.60mg/(cm2*min).其它條件不變，實驗中僅將三角形IJK向西平移至圍墻邊，使之正對著煤堆側邊(沿主導風向)，結果起塵速率減少了37%.這個例子非常直觀地顯示了地形起伏(建筑物)造成的氣流擾動的增大起塵量的作用.

　　3.2　風障的防護作用及其模擬

 

圖3　煤廠平面圖
Fig.3 Diagram of the coal plant

　　風障，如木柵、金屬網、樹籬等，均為多孔(疏透)介質.由于貼近地面的氣流只有一部分能穿透過去，故其背風側將有一個平均風速的減弱區.此即風障的屏蔽效應.由于屏蔽區內貼近地面風速的減弱，固體粒子的運動受到抑制.故在公路、鐵路邊建立沙障和雪障可避免沙和雪在道路上的堆積.防風林網則可保護干旱地區的農田減少風蝕之害.

　　風障的防護效果取決于它的流動特征.風洞模擬實驗非常適合用于此項研究，并已得到許多有益的成果.一般性的結論是，有效屏蔽距離約為10至15倍的風障高度H；疏透率(即孔面積與總面積的比)Φ是屏蔽效應(背風側平均風速的衰減)的唯一主定參數，且其優化范圍一般認為是在40%至50%之間［11］.

　　風障也可用于減少向大氣中排放的細微懸浮顆粒.例如可將煤堆、灰堆等圍之以金屬網和一定厚度的林帶；夾道樹也有減小道路交通起塵的作用.應當指出，除了建立在起塵表面上風向的風障的屏蔽作用以外，建立在起塵表面下風向的樹行可將已飛起的粒子“濾掉”一部分，使最終進入空氣的懸浮粒子的總量大大減少.例如上海市道路起塵觀測結果表明，道路兩旁夾道樹在夏天枝葉繁茂時，可將最終進入大氣的懸浮顆粒總量減少一半［12］.作者本人在風洞模擬實驗中發現，建立在煤堆下風向且有一定厚度的林帶處，有相當多的煤塵降落到地面上.這顯然是由于空氣在枝葉間被迫作加速、減速、急轉等運動，從而使其中攜帶的煤塵粒子析出并沉降到地面上(少部分粘附在枝葉上)，從而使最終的有效起塵量減少約10%［10］.作者把這種建立在起塵表面下風向且有一定厚度的疏透介質減少最終進入空氣的懸浮顆粒數量的作用稱為“宏觀吸附效應”.片狀疏透介質如金屬網或木柵就沒有這種作用［13］.

　　在風洞中模擬風障流動特征時，應保證的相似性準則主要包括：(1)大氣邊界層流動，包括平均風速廓線和湍流度廓線，以及繞障礙物的流動特征.(2)模型風障的疏透率(孔率) Φ等于其原型數值.作者的研究對于該體系又添加了兩條重要的內容［8，11，14］:

　　(1)用真實煤粉(土灰)制作模型煤堆(模型起塵表面).

　　(2)模型風障的孔徑雷諾數Re′=Ud′/ν大于其臨界數值；這里U是風障上邊緣，即x=0,z=H高度處的平均風速，ν是空氣的運動學粘滯系數.

　　本文作者在風洞實驗中發現，風障疏透率不變而其孔徑d′逐漸減小 (孔徑雷諾數Re′逐漸減小)時，緊貼風障背風側的湍流度會受到越來越大的抑制(圖4，其中縱座標是網后(x=H,z＜0.7H)平均湍流度與網前(x=-2H,z＜0.7H)平均湍流度的差Di )，且置于此地的模型煤堆的起塵速率也會隨著減小(圖5，其中曲線Ⅰ和Ⅱ分別是低湍流度氣流和高湍流度氣流中的實驗結果).為避免這種“不真實”的現象的出現，作者建議，模擬實驗中風障孔徑雷諾數Re′應大于臨界值.由上兩圖實驗曲線可初步確定，該臨界值大約在1000至1200的范圍.應當指出，圖5所示起塵速率數據在Re′＞1200后出現實然下降，這可能是Re′＞1200的一組網的孔加工得比較光滑所致.依照文獻［15］，若網孔較光滑，則會使起塵速率有所下降.這個問題有待于進一步的實驗研究.

 

圖4　風障背風側(近處)湍流受到的抑制與孔徑雷諾數
Fig.4 Turbulence depressed behind windbreak depending on aperture Reynolds number

 

圖5　風障背風側(近處)模型煤堆的起塵速率
Fig.5 Dust emission rate from coal pile behind windbreak

　　國家自然科學基金資助項目（編號49775277）

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