С.В. Комонов, Е.Н. Комонова
Ветровая эрозия и пылеподавление
Курс лекций. - Красноярск: Изд-во СФУ, 2008. - 192 с.
Глава 1. Ветровая эрозия
1.6. Теоретические основы процесса ветровой эрозии
1.6.1. Механика отложения, переноса и отделения материала (грунта)
Процесс ветровой эрозии является
актуальным, т.к. ветровая эрозия – второй после водной фильтрации фактор
распространения загрязнений. Подверженность почв ветровой эрозии определяется
ветровым воздействием, а также совокупностью таких факторов как режим
атмосферных осадков, температура, рельеф, гранулометрический, агрегатный состав
и другие.
Сегодня существует много
различных моделей ветровой эрозии. Но все они сходятся в одном, необходимо как
можно более точно решить проблему, связанную с прогнозированием ветровой эрозии
и разработать надежные и экономически выгодные методы защиты от эрозии. Для
решения этих вопросов необходимо глубокое понимание этого на первый взгляд
простого процесса.
Изучение ветровой эрозии
осложняется разномасштабностью составляющих ее процессов, в основе которых
лежат разные механизмы. Ученые разных стран по разному пытаются решить эту
проблему, стремясь отыскать наиболее правильный подход. Разрабатываются все
новые и новые модели ветровой эрозии, которые имеют дальнейшее применение на
практике в противоэрозионных мероприятиях. И от того, насколько модель точна и
проста в расчетах, можно судить об ее пригодности к применению на практике.
Модель,
разработанная российскими учеными из МГУ Г.П. Глазуновым и В.М. Гендуговым и их
“Механизмы ветровой эрозии”, являются достижением в том плане, что в ее
разработке успешно используются методы, ранее не применявшиеся. В результате
исследований установлено:
·
тормозящий эффект поверхности,
·
скорость ветра.
Чем ниже ветер дует над
поверхностью грунта, тем выше тормозящий эффект.На высоте 3 см над поверхностью скорость ветра над шероховатой поверхностью больше, чем над гладкой.
Для расчета скорости на небольшой
высоте используют уравнение Кармана, определяемое по формулы:
(5)
где –
скорость над средней аэродинамической поверхностью (на высоте Z),
м/с;
– высота над средней
аэродинамической поверхностью, м;
– высота средней
аэродинамической поверхности (изменяется по уравнению 2), м;
– скорость волочения частиц
(скорость сдвига), м/с уравнение 7;
– универсальная постоянная
Кармана (для турбулентного потока 0,4).
(6)
где –
диаметр частицы грунта (песка ), при минимальной
скорости ветра 2 м/с.
В закрытом канале, используемом для экспериментального
определения удельной сдуваемости грунтовых частиц, динамическую скорость потока
определяют через величину сдвигового напряжения на стенке канала по формуле:
(7)
где –
сдвиговое напряжение у поверхности, находится по зависимости;
(8)
где –
массовая плотность потока среды (воздуха),
–
скорость воздуха на оси канала, м/с;
–
число Рейнольдса определяемое по формуле;
(9)
где –
кинематическая вязкость воздуха, (при температуре 15oC и нормальном
давлении воздуха равна 0,145 10-4 м2/с;
–
гидравлический радиус канала, м.
(10)
где и – сторона прямоугольного канала, м;
При определение различных параметров ветровой эрозии иногда
расчеты производится в пересчете на песок. Для гидродинамических неровных
границ, когда число Рейнольдса больше 90, формула принимает следующий вид:
(11)
где –
эквивалент песчаной поверхности;
При меньше 3,5 – 4 граница
поверхности является гладкой, и элементы неровности остаются в пределе
ламинарного не турбулентного слоя. Величина турбулентности характеризует интенсивность
и масштаб турбулентности. Ее определяют в аэродинамической установке или в
полевых условиях при помощи ветрометра, флюгера, а так же по формуле:
(12)
где –
средняя скорость сдвига, м/с;
–
стандартное отклонение колебания скорости.
(13)
где и – соответственно начальная и
максимальная скорость ветра, м/с.
Масштаб турбулентности,
характеризующий размер вихрей определяют из соотношения:
(14)
где – средняя положительная скорость ветра
или скорость скольжения над эродируемой поверхностью,
– число
циклов колебаний скорости в секунду.
Численное значение этого отношения увеличивается с
увеличением высоты над поверхностью грунта. При этом происходит импульсное
движение частиц:
(15)
где – среднее
давление;
– стандартное отклонение давления.
(16)
где –
агрегатная плотность пылевых частиц, 2,4 – 2,6 кг/м3;
–
плотность воздуха, 1,0 кг/м3.
В аэродинамической установке
отношение максимального давления к среднему является наибольшим и поэтому
возникает турбулентность.
|