[实用新型]一种风洞用风蚀颗粒起动风速测试装置和测试系统

说明书

本实用新型揭示了一种风洞用风蚀颗粒起动风速测试装置和测试系统。所述风蚀颗粒起动风速测试装置包括沙盘(1)，所述沙盘上设置有彼此分隔的多个试验单元，每一试验单元包括沿风向依次设置的铺沙段、收缩段、拍摄通道(8)和沙粒捕集槽(2)，所述铺沙段用于铺设实验用沙，所述铺沙段、收缩段和拍摄通道(8)的宽度依次减小，所述拍摄通道(8)内设有与微型高速摄像机(4)对应的拍摄区(5)，所述沙粒捕集槽(2)具有V型槽底，所述V型槽底分布有沙粒识别区(3)。本实用新型较以往测定起动风速的单一方法更加标准、客观、准确，基本解决了目前各种测定方法中遇到的缺陷问题，为风洞中沙粒起动风速的准确界定提供了一种科学、实用的新装置。

技术领域

本实用新型属于风沙流中颗粒起动风速测定技术领域，具体涉及一种风洞用风蚀颗粒起动风速测试装置和测试系统。

背景技术

在风沙物理学研究中，风沙的产生机制，即在风场的作用下沙粒的起动机理是其中基础的和重要的研究课题。地表沙粒在风场作用下脱离地表开始运动的过程称为沙粒的起动，它标志着地表风蚀的开始，风蚀是造成干旱半干旱沙漠地区土地退化的主要驱动力之一，起动风速又是影响风蚀的关键因素，因此，沙粒的起动风速一直受到研究者的高度关注，它对于风沙运动的研究具有基础性意义。

对于沙粒的起动风速，Bagnold[1954]提出了流体起动值和冲击起动值的两种概念。所谓流体起动风速，是指来流中完全没有沙粒，床面沙粒的起动完全是由于风场对沙床表面沙粒的直接作用从而使沙粒开始起动时的临界风速。若来流中含有沙粒，这些沙粒会撞击沙床面，从而引起床面上沙粒的蠕移或起跳，在这种情况下，床面沙粒的起动主要是气流中原有沙粒的冲击作用所致，此时的临界风速称为冲击起动风速。

准确测定风沙颗粒的起动风速对于风沙物理研究具有重要意义。但是由于沙粒起动瞬间具有瞬时、高速、微量等运动学特征，因此起动风速值是一个很难准确测定的实验常数，目前各家使用的方法都不尽相同，并没有一个统一标准、装置或仪器来测定该值。

在起动风速的风洞模拟实验中，风速传感器的采集频率一般为1HZ-100HZ，只要知道沙粒起动瞬间对应的准确时间，就可以在时间序列的风速数据中，找出对应的起动风速值或计算出起动摩阻风速值。因此在具体的实验操作环节，测定风蚀颗粒的起动风速值完全是基于起动瞬间对应的准确时间的确定。

目前起动风速的测定方法主要包括5种，肉眼识别法、胶带法、片状光源观察法、风蚀传感器、叉式光电传感器，但这些方法都存在各自的缺陷。

人眼识别法的缺陷是，每个人的肉眼识别能力有限，且存在很大的个体差异。同样的起动过程，换个人来识别，可能得到的起动风速结果差异很大，即使是同一个人观测，其肉眼识别的主观判断标准在每组实验中都会有差异，造成结果不准确，不统一。

胶带法的缺陷是，风沙颗粒开始起动的瞬时，颗粒数量极少，而且运动速度快，很难被粘在胶带上；胶带一般被横向贴在风洞的地板上，沿风洞实验段轴线方向仅仅只有几厘米宽度，高速运动的沙粒和胶带接触后很可能不会被粘住，或者直接越过胶带，因此在准确测定风沙流中沙粒的起动瞬时方面，可靠性欠佳；

片状光源法的缺陷是，虽然激光片状光源亮度高，但仅有1-2mm的厚度，布设时，将扇形片状光源投射在实验段中轴面上，当沙粒进入该光片时，会产生明亮的成像效果，以此来测定风沙颗粒的起动瞬间。但该光片仅有1-2mm厚度，如果已经起动的沙粒没有从该薄层空间通过，就无法监测到起动的发生，因此，往往是发生明显跃移或风沙流时，才能在光片中捕捉到快速飞跃的沙粒。所以片状光源法测定的起动风速往往大于实际沙粒的起动风速值。