[发明专利]高速风沙跃移试验观测系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于大风条件下风沙物质跃移的模拟和观测系统。具体是一种模拟大风条件下，沙粒冲击不同地表或砾石等障碍物后观测沙粒的跃移高度、跃移轨迹和沙量随高度变化的试验和观测装置。

背景技术

跃移是风沙物质输移的主要形式，风沙流中70%的沙量以跃移形式输送。传统研究中一般认为沙粒的跃移高度在十几公分以下，主要集中在10公分以下，由此研发的观测设备和开展的观测工作都是针对较低的空间，例如野外观测所用集沙仪高度一般在1m以下；风洞模拟试验中，受洞体尺寸限制，最大模拟高度一般也在1m以下，风沙物质的观测主要在30cm以内。在对风沙活动的动力条件——风力的研究中，一般的风沙风洞可以模拟20-30m/s左右的风速，对更高的风速条件则风机动力和风洞洞体稳定性难以达到试验要求，而在这种风速条件下的风沙活动野外实时观测比较困难。

针对某些地区的特殊大风的风沙活动研究，传统的试验和观测设备显得无能为力，这在兰新铁路第二双线工程（兰新高铁）穿越的我国西北戈壁大风区最为明显。例如在著名的百里风区，大风风速可达60m/s以上，可将行进中的列车吹翻造成事故；戈壁本身的风沙流跃移高度远大于流沙地表，该区戈壁风沙流携带的沙物质，可翻越铁路沿线重重的防护设施和铁路路肩3.3m高的挡风墙而沉积在铁轨附近，影响列车安全运营且难以清除。这种戈壁大风条件下的特殊风沙活动，超过了传统风沙科学试验研究的范围，因为如此强劲的风力是各种风沙风洞试验都无法稳定模拟的，且沙粒跃移的高度也远远超过了风洞的高度；而究竟多大风速条件下某种粒径大小的沙粒可以跃移到多大的高度，在野外大风湍流的情况下也难以开展观测，无法将沙粒跃移与风速精确对应。

目前国内外尚未开展大风条件下（即远超过传统的20-30m/s风速研究范围）沙粒跃移高度的研究，而这一研究，不仅是目前风沙研究的空白所在，更是兰新高铁和类似广大戈壁地区交通、能源等设施设备风沙防护迫切需要解决的问题，对于调整现有风沙防护策略措施、维持线路正常运营有着重要意义。而开展这一工作，需要能够模拟稳定的大风和风沙流条件，以及能对较高范围内跃移沙粒进行收集的针对性试验和观测设备。

发明内容

针对目前风沙研究领域对大风条件下跃移沙粒研究试验设备的空白，本发明的目的旨在提供一种高速风沙跃移试验观测系统。利用该系统，可创造稳定的大风条件，模拟高速风沙流冲击不同地表和不同角度、形态的戈壁砾石后的跃移过程，并收集所有高度上的跃移沙粒，获得不同风速、冲击条件下沙粒跃移的精确轨迹。该系统原理直观，操作性强，数据结果可靠，是开展大风条件下风沙跃移研究的针对性设备，对特殊动力和下垫面条件下风沙活动的观测研究有无法替代的作用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高速风沙跃移试验观测系统，由动力设备、控压调压阀、电磁阀、时控开关、喷沙枪、供沙器、试验台、跃移集沙仪组成。控压调压阀、电磁开关阀、时控开关和供沙器共同固定于工作面板上；动力设备通过软管依次与控压调压阀、电磁阀至喷沙枪连接，时控开关连接电源，并通过导线分别与电源和电磁阀连接，喷沙枪的进沙口连接供沙器，试验台居于跃移集沙器与喷沙枪之间。

上述动力设备工作压力范围在8Bar（0.8MPa）以上，调压空压阀工作范围在0-10Bar之间，时控开关的精度为秒，喷沙口可更换以调节喷头内径，集沙盒总体采集高度可通过调整集沙盒的个数而改变。

本发明的优点和产生的有益效果是：

从试验模拟和观测两方面出发，将本系统的独特性、优点和产生的有益效果概述如下：

1、本发明可模拟产生>150m/s的稳定气流和风沙流速度且连续可调，是任何现有风沙研究风洞均无法实现的，由此可实现极端风力条件下风沙物质跃移观测的精确模拟；

2、本发明使用控压调阀调节输出气流的压力，从而精确控制试验气流风速，且风速可在瞬间达到所需值，不需要传统风洞中风机的停机和再启动过程；

3、本发明使用时控开关和电磁阀实现系统的开闭，所模拟风力的作用时间被精确控制到秒以内尺度，实现风速与跃移观测的准确对应；

4、本发明使用的跃移集沙仪专门针对高跃移范围的风沙运动，采集高度可通过增加固定槽和集沙盒个数不断调节采集高度，位置可移动，实现对跃移颗粒的全面观测；

5、本发明所涉及的试验动力设备通过软管依次与控压调压阀、电磁阀和喷沙枪连接，观测部分可独立分解，拆装便捷省力，整体系统轻便耐用，便于运输。