摘要：對(duì)于大氣邊界層中的固體粒子的風(fēng)致運(yùn)動(dòng)——較大粒子的蠕動(dòng)躍動(dòng)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(yùn)動(dòng)的物理模擬研究方面的一些成果：復(fù)雜地形和低層大氣湍流會(huì)顯著地提高起塵速率并改變降塵量的分布；有一定順風(fēng)向厚度的風(fēng)障除了屏蔽效應(yīng)——即背風(fēng)側(cè)平均風(fēng)速的減小——外，還有減小最終進(jìn)入空氣的灰塵數(shù)量的“宏觀吸附效應(yīng)”；總結(jié)了模擬懸浮粒子運(yùn)動(dòng)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)所應(yīng)遵循的相似性準(zhǔn)則，并提出了模擬防塵風(fēng)障的實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)新的相似參數(shù)——孔徑雷諾數(shù)，并初步測(cè)定了它的臨界數(shù)值.

　　關(guān)鍵詞：大氣邊界層；空氣塵污染；起塵速率；風(fēng)障；風(fēng)洞實(shí)驗(yàn).

　　1　引言

　　在廣闊的歐亞大陸的中心，包括中國(guó)的西北部在內(nèi)，遠(yuǎn)離海洋，降水稀少，且日照強(qiáng)烈.在氣候與地質(zhì)條件幾百萬(wàn)年的聯(lián)合作用下，這里變成了干旱的沙漠戈壁.該地區(qū)冬春季多大風(fēng)，強(qiáng)風(fēng)卷起了沙塵，較大的砂礫首先在下風(fēng)向近處降落下來(lái)，造成沙漠的遷移.細(xì)塵(懸浮顆粒)升至高空，被中緯度氣流攜帶向東至更遠(yuǎn)的距離，在東經(jīng)102—114度之間的位置上沉降下來(lái)，形成了今天著名的黃土高原.有時(shí)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(lái).所以，固體粒子的風(fēng)致遷移構(gòu)成了上述自然過(guò)程.這個(gè)過(guò)程已經(jīng)持續(xù)了幾百萬(wàn)年，今后還將繼續(xù)下去.對(duì)上述自然過(guò)程施加有益的影響，以改善人類的生存環(huán)境是極其重要的.方法之一是在上述干旱地區(qū)大規(guī)模植樹.其它與固體粒子在大氣中的運(yùn)動(dòng)有直接關(guān)系的工程應(yīng)用的例子有：農(nóng)田的風(fēng)蝕及防護(hù)林的防護(hù)效應(yīng)，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(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)(物理模擬)對(duì)了解固體粒子風(fēng)致運(yùn)動(dòng)的機(jī)理以及工程科學(xué)應(yīng)用方面的規(guī)律作出重要的貢獻(xiàn).近年來(lái)，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬與物理模擬相結(jié)合或與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)相結(jié)合，得到了許多有益的結(jié)果.本文在介紹大氣邊界層中固體粒子風(fēng)致運(yùn)動(dòng)的一般特征以及對(duì)懸浮微粒(飄塵)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究時(shí)，均著重在物理模擬(環(huán)境風(fēng)洞實(shí)驗(yàn))的方法(實(shí)驗(yàn)原理)和結(jié)果的討論方面.

　　2　低層大氣中固體粒子運(yùn)動(dòng)的一般特征

　　首先應(yīng)當(dāng)指出，盡管較大粒子的蠕動(dòng)躍動(dòng)和較小粒子的懸浮運(yùn)動(dòng)是同時(shí)發(fā)生的，二者的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和規(guī)律以及實(shí)際的應(yīng)用都很不同.前者的例子如沙粒與雪粒的運(yùn)動(dòng)，前人已經(jīng)作了較多的理論和實(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)規(guī)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(duì)氣流的影響

　　測(cè)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(dòng)層，上層是懸浮層.對(duì)上層，雪濃度的對(duì)數(shù) lnC(z)(C的單位是g/m3)與高度的對(duì)數(shù)lnz成線性關(guān)系；在下層，對(duì)數(shù)傳輸通量lnQ(z)(Q的單位是g/(m*min))與高度z成線性關(guān)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(duì)數(shù)是與高度的平方根成正比［2］.對(duì)于傳輸速率Q，躍動(dòng)粒子的貢獻(xiàn)一般要占到80%以上.

　　另一方面，在被風(fēng)攜帶的同時(shí)，近地層氣流中的雪、沙、土等固體顆粒對(duì)流動(dòng)的特征亦有影響.風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，這種影響主要表現(xiàn)在：流場(chǎng)中某點(diǎn)的湍流度隨該點(diǎn)粒子濃度的增大而減少.與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，邊界層中平均速度的分布——無(wú)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(shù)κ的數(shù)值并未象預(yù)料的那樣，由于粒子濃度而有相應(yīng)的改變［2］.

　　2.2　閾值(起動(dòng))風(fēng)速及粒子質(zhì)量遷移的速率

　　只有當(dāng)風(fēng)速足夠高，作用在固體粒子上的風(fēng)力超過(guò)重力和粘附力時(shí)，粒子才能運(yùn)動(dòng).這表明存在一個(gè)速度的閾值，即起動(dòng)風(fēng)速Vt.上述風(fēng)力可認(rèn)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(dá)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(gè)須由實(shí)驗(yàn)確定的系數(shù)［3］.經(jīng)典的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖1，它表明，對(duì)直徑大于0.20mm的粒子來(lái)說(shuō)，上述平方根正比關(guān)系是肯定的.更小粒子(它們主要作懸浮運(yùn)動(dòng))的起動(dòng)機(jī)制要更復(fù)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(guān)系
Fig.1 Threshold friction velocity relative to particle diameter

　　由于實(shí)際地表面中固體顆粒的直徑范圍極廣，故其閾值(起動(dòng))風(fēng)速必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定之.此外，地表面的濕度，壓實(shí)的程度，有否礫石覆蓋，有否植物覆蓋等等因素，都對(duì)實(shí)際地面起動(dòng)風(fēng)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(gè)主要的參數(shù)，對(duì)其應(yīng)分兩種情況考慮：當(dāng)研究雪、沙等較大顆粒的水平遷移運(yùn)動(dòng)時(shí)，討論的是水平質(zhì)量通量(單位時(shí)間通過(guò)橫風(fēng)向單位長(zhǎng)度的粒子質(zhì)量)Q，前已述及，該通量主要是躍動(dòng)粒子的貢獻(xiàn)；而當(dāng)研究地表面向空氣排放細(xì)微(懸浮)固體顆粒的過(guò)程時(shí)，討論的是粒子排放速率(起塵速率，即單位時(shí)間從單位表面積排入空氣的細(xì)微固體粒子質(zhì)量)Qe(這里所謂細(xì)微固體粒子，經(jīng)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(yùn)動(dòng)機(jī)理相差較大，又，較大粒子的存在和運(yùn)動(dòng)(蠕動(dòng)和躍動(dòng))對(duì)懸浮粒子的飛起有重大影響.

　　2.3　沙雪粒運(yùn)動(dòng)(蠕動(dòng)和躍動(dòng))的物理模擬與佛洛德數(shù)相似困難

　　當(dāng)在風(fēng)洞中模擬沙雪粒子的運(yùn)動(dòng)和堆積過(guò)程時(shí)，應(yīng)滿足的相似性原則主要為：(1)大氣邊界層流動(dòng)，包括平均風(fēng)速廓線和湍流度廓線，以及繞障礙物的流動(dòng)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(dòng)力學(xué)畸變，如流動(dòng)的分離、尾流的湍流渦漩、加速區(qū)與減速區(qū)等等，對(duì)雪粒沙粒的運(yùn)動(dòng)及其在建筑物附近的堆積過(guò)程有嚴(yán)重的影響.(2)模擬實(shí)驗(yàn)中可使用沙子也可使用其它顆粒物質(zhì)(如碳酸氫鈉)作為模型粒子.實(shí)驗(yàn)中應(yīng)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(duì)空氣的相對(duì)密度ρ′／ρ分別等于其原型(大氣現(xiàn)場(chǎng)中的)數(shù)值；又，在模型實(shí)驗(yàn)中的摩擦速度與其閾值摩擦速度(起動(dòng)摩擦風(fēng)速)之比u′/u′0與其原型數(shù)值相等.詳細(xì)的討論見文獻(xiàn)［5］.

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

　　然而，在建筑物附近，由于流動(dòng)的畸變及強(qiáng)烈的湍流化，作為低階近似，可認(rèn)為躍動(dòng)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡主要取決于流場(chǎng)的尺度，而受躍動(dòng)尺度本身的影響是次要的.具體說(shuō)來(lái)，對(duì)于沙粒和雪粒這樣大小比較均勻的固體顆粒，運(yùn)動(dòng)始于蠕動(dòng)和躍動(dòng)；隨著風(fēng)速的增大，較小的躍動(dòng)粒子變成了懸浮的顆粒.粒子運(yùn)動(dòng)這種對(duì)風(fēng)速的依賴性決定了雪在建筑物周圍的堆積過(guò)程：躍動(dòng)粒子堆在迎風(fēng)面，而堆積在背風(fēng)面的是懸浮粒子，而且絕大多數(shù)的躍動(dòng)粒子在背風(fēng)面的尾流渦漩中都要變成懸浮狀態(tài).模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雪在建筑物頂?shù)某练e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(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)結(jié)果是一致的［7］，這表明，粒子運(yùn)動(dòng)的相似性在該種條件下可認(rèn)為基本得到保證，佛洛德數(shù)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(yùn)動(dòng)的物理模擬

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

　　3.1　湍流和復(fù)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(shí)，不存在佛洛德(Froude)數(shù)相似困難，因?yàn)檫@些懸浮粒子的運(yùn)動(dòng)基本上是被空氣所攜帶，較大粒子的躍動(dòng)不是模擬的主要對(duì)象，雖然后者對(duì)前者有影響.但在另一方面，實(shí)驗(yàn)中測(cè)定單位時(shí)間從單位表面積飛起的塵埃數(shù)量(即其起塵速率)Qe時(shí)，應(yīng)注意將躍動(dòng)粒子排除.

　　事實(shí)上，起塵表面的壓實(shí)(成塊) 、濕度、有否礫石覆蓋及植被覆蓋等因素強(qiáng)烈地影響到懸浮粒子的飛起過(guò)程［4］.較大粒子的存在及運(yùn)動(dòng)(蠕動(dòng)、躍動(dòng))也對(duì)其飛起有嚴(yán)重影響.因此，在模擬實(shí)驗(yàn)中應(yīng)使用真實(shí)煤粉、沙土、灰土等制作模型起塵表面，而不能象模擬躍動(dòng)粒子時(shí)那樣，用直徑均一的模型粒子來(lái)代替真實(shí)的雪粒和沙粒［8］.

　　風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中必須模擬大氣邊界層湍流，因其對(duì)懸浮粒子的飛起及其后續(xù)的傳輸及沉降運(yùn)動(dòng)有嚴(yán)重的影響［9］.由表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，高湍流度氣流中的煤堆的閾值風(fēng)速為2.6m/s，遠(yuǎn)小于在低湍流度氣流中的數(shù)值(4.3和5.1m/s)，且對(duì)煤粉濕度不再敏感.

　　而由表2所列數(shù)據(jù)之比較，我們可以看出，在平均風(fēng)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(fēng)距離的衰減
Fig.2 Decrease in dust depositionwith downwind distance

　　圖2是作者測(cè)定的地面降塵量隨下風(fēng)距離的衰減；上面的那條擬合線是大湍流度氣流實(shí)驗(yàn)(LDT-5)的結(jié)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(fù)雜地形——地形的起伏以及建筑物等——造成了氣流的擾動(dòng)，增大了其垂直速度分量和湍流強(qiáng)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(shè)計(jì)略圖.其中三角形區(qū)域IJK為一組高大建筑物，沿主導(dǎo)風(fēng)向正對(duì)煤堆的中心.風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中測(cè)定煤堆表面起塵速率為0.60mg/(cm2*min).其它條件不變，實(shí)驗(yàn)中僅將三角形IJK向西平移至圍墻邊，使之正對(duì)著煤堆側(cè)邊(沿主導(dǎo)風(fēng)向)，結(jié)果起塵速率減少了37%.這個(gè)例子非常直觀地顯示了地形起伏(建筑物)造成的氣流擾動(dòng)的增大起塵量的作用.

　　3.2　風(fēng)障的防護(hù)作用及其模擬

 

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

　　風(fēng)障，如木柵、金屬網(wǎng)、樹籬等，均為多孔(疏透)介質(zhì).由于貼近地面的氣流只有一部分能穿透過(guò)去，故其背風(fēng)側(cè)將有一個(gè)平均風(fēng)速的減弱區(qū).此即風(fēng)障的屏蔽效應(yīng).由于屏蔽區(qū)內(nèi)貼近地面風(fēng)速的減弱，固體粒子的運(yùn)動(dòng)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(fēng)林網(wǎng)則可保護(hù)干旱地區(qū)的農(nóng)田減少風(fēng)蝕之害.

　　風(fēng)障的防護(hù)效果取決于它的流動(dòng)特征.風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)非常適合用于此項(xiàng)研究，并已得到許多有益的成果.一般性的結(jié)論是，有效屏蔽距離約為10至15倍的風(fēng)障高度H；疏透率(即孔面積與總面積的比)Φ是屏蔽效應(yīng)(背風(fēng)側(cè)平均風(fēng)速的衰減)的唯一主定參數(shù)，且其優(yōu)化范圍一般認(rèn)為是在40%至50%之間［11］.

　　風(fēng)障也可用于減少向大氣中排放的細(xì)微懸浮顆粒.例如可將煤堆、灰堆等圍之以金屬網(wǎng)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(yīng)當(dāng)指出，除了建立在起塵表面上風(fēng)向的風(fēng)障的屏蔽作用以外，建立在起塵表面下風(fēng)向的樹行可將已飛起的粒子“濾掉”一部分，使最終進(jìn)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(cè)結(jié)果表明，道路兩旁?shī)A道樹在夏天枝葉繁茂時(shí)，可將最終進(jìn)入大氣的懸浮顆粒總量減少一半［12］.作者本人在風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，建立在煤堆下風(fēng)向且有一定厚度的林帶處，有相當(dāng)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(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，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(fēng)向且有一定厚度的疏透介質(zhì)減少最終進(jìn)入空氣的懸浮顆粒數(shù)量的作用稱為“宏觀吸附效應(yīng)”.片狀疏透介質(zhì)如金屬網(wǎng)或木柵就沒(méi)有這種作用［13］.

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

　　(1)用真實(shí)煤粉(土灰)制作模型煤堆(模型起塵表面).

　　(2)模型風(fēng)障的孔徑雷諾數(shù)Re′=Ud′/ν大于其臨界數(shù)值；這里U是風(fēng)障上邊緣，即x=0,z=H高度處的平均風(fēng)速，ν是空氣的運(yùn)動(dòng)學(xué)粘滯系數(shù).

　　本文作者在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)障疏透率不變而其孔徑d′逐漸減小 (孔徑雷諾數(shù)Re′逐漸減小)時(shí)，緊貼風(fēng)障背風(fēng)側(cè)的湍流度會(huì)受到越來(lái)越大的抑制(圖4，其中縱座標(biāo)是網(wǎng)后(x=H,z＜0.7H)平均湍流度與網(wǎng)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(huì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果).為避免這種“不真實(shí)”的現(xiàn)象的出現(xiàn)，作者建議，模擬實(shí)驗(yàn)中風(fēng)障孔徑雷諾數(shù)Re′應(yīng)大于臨界值.由上兩圖實(shí)驗(yàn)曲線可初步確定，該臨界值大約在1000至1200的范圍.應(yīng)當(dāng)指出，圖5所示起塵速率數(shù)據(jù)在Re′＞1200后出現(xiàn)實(shí)然下降，這可能是Re′＞1200的一組網(wǎng)的孔加工得比較光滑所致.依照文獻(xiàn)［15］，若網(wǎng)孔較光滑，則會(huì)使起塵速率有所下降.這個(gè)問(wèn)題有待于進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究.

 

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

 

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

　　國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（編號(hào)49775277）

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