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
1.6.4. Основы процесса пыления
Для
исследований процесс пыления поверхности применяются различные методы –
экспериментальные, расчетные и комплексные. Наиболее полная и достоверная
оценка пылящих свойств массива может быть получена полевыми методами при
методически правильной их организации и использовании специальной аппаратуры.
Оценку пылевых выбросов
необходимо проводить с учетом природы подъемной силы. Перед взлетом частицы
колеблются, причем частота этих колебаний близка к частоте пульсационной
скорости ветра и связана с происхождением вихрей. Средняя частота колебаний
частиц перед отрывом составляет 1,8 Гц, а для наиболее энергоемких частиц
пульсации продольно составляющей скорости равны 2,3 Гц.
Механизм подъемной силы
объясняет:
·
причины отрыва частицы от поверхности
·
причины выдувания мелких частиц из под слоя крупных
·
причины возврата части взлетевших частиц
·
причины безвозвратного хаотического полета другой части частиц.
При
решении проблемы математического описания процесса ветровой эрозии использован
метод перехода от микроуровня (движение отдельной частицы) к макроуровню
(многофазная среда). Плотность энергии (Дж/кг),
необходимая для выдувания, может быть выражена через кинетическую энергию
ветра:
(24)
где – пороговая скорость ветра, м/с,
называемая критической.
(25)
где – параметр массообмена;
– интенсивное выдувание грунта кг·с/м2;
– скорость ветра на границе слоя грунта–воздух;
– касательное напряжение трения, Н/м2.
(26)
Существует
некоторая пороговая скорость ветра (м/с), называемая
критической, при превышении которой начинается интенсивное выдувание грунта (кг·с/м2). Интенсивность
выдувания при данной скорости на границе слоя
зависит от касательного напряжения трения (Н/м2).
Для того, чтобы
рассматривать процесс выдувания, имеющий определенное
значение ВЭ, необходимо перейти от микроуровня, на котором анализируется
движение отдельных частиц к макроуровню, на котором процесс описывается в
рамках законов механики многофазных сред.
Процесс выдувания основан на существовании некоторой
критической скорости ветра, при превышении которой начинается интенсивное
выдувание, которое зависит от касательного напряжения, трения и плотности
энергии ветра.
Согласно π-теореме Седова,
физически процесс ветровой эрозии почв может быть определен с помощью функции,
связывающей эти параметры:
(27)
Эта зависимость выполняется при
скоростях потока, превышающих , поэтому ее
преобразовывают к виду, содержащему параметр . В
итоге получается уравнение выдувания грунта:
(28)
где – параметр массообмена, характеризующий
реакцию грунта на силовое воздействие со стороны воздушного потока при его
скорости, равной критической ;
– скорость ветра за пределами пылящей поверхности;
– эмпирический коэффициент, характеризующий свойства
грунта и определяющий его устойчивость к выдуванию ( увеличивается
с увеличением размера частиц).
Параметр
массообмена представляет собой концентрацию частиц
на поверхности грунта, потерявших межагрегатное сцепление под действием ветра.
Фактически это частицы принадлежат уже не поверхностному слою грунта, а
грунтово-воздушному потоку.
При
превышении критической скорости ветра начинается выдувание грунта, которое
можно прогнозировать уравнением (28), описывающим поток грунтовых частиц,
направленных от поверхности в атмосферу. В этом уравнении коэффициенты и параметр определяются
экспериментально.
Для
случая монофракций уравнение имеет вид:
(29)
где - эмпирические
коэффициенты.
При превышении критической скорости начинается процесс
выдувания, который можно спрогнозировать.
|