分流对冲与多级扩容组合式自动集沙仪及其内流场特性研究

摘要

开展土壤风蚀研究必须借助于先进的研究手段与方法，以获得大量而精确的风蚀数据。集沙仪能够采集土壤风蚀过程中随风搬运的可蚀性颗粒，是观测风沙流结构和研究风沙运动规律的关键设备，对研究风沙运动的物理机制，揭示土壤风蚀的发生、发展和演化规律，有效防治土壤风蚀具有十分重要的作用。
　　随着自动控制技术的广泛应用，研制具有较高测量精度和较高集沙效率的新型自动集沙仪，提高观测数据的连续性、科学性和可靠性，满足复杂多变的野外风蚀观测需求，成为相关研究领域重点内容。针对自动集沙仪存在的因强风风力对称重传感器产生冲击而影响测试数据的精确性以及风沙在集沙仪内部的高效分离等问题，提出气流分流对冲与多级扩容组合以大幅降低集沙仪内气流速度的思路，采用理论分析、数值模拟、试验分析等方法，在研究利用分流对冲降速原理设计的初期风沙分离器的基础上，对分流对冲与多级扩容组合式集沙仪及其内流场特性进行研究。建立风沙分离器物理模型，分析气流降速、气固分离与内流场特性的关系，探究气流的能量损失规律和影响集沙效率的主要原因，揭示分流对冲与多级扩容组合降速机理，设计单通道采集数据的分流对冲与多级扩容组合式自动集沙仪，并测试其性能指标，为开发多通道采集数据、集沙效率更高的自动集沙仪提供理论与技术依据。研究主要结论如下：
　　（1）利用气流分流对冲降速原理，设计了集沙仪的关键部件—初期风沙分离器。试验表明，排沙口气流的降速幅度为86.42％，可减缓排沙口气流对集沙盒下称重传感器的扰动；排气管气流的降速幅度为88.17%，可收集粒径大于0.032mm的土壤颗粒，进气口的等动力性为92.03%，基本符合等动力性要求；风速为9~18m/s时的平均集沙效率为89.6%。
　　（2）依据管道的扩张降速理论，提出气流分流对冲与多级扩容组合降速法，设计了改进型风沙分离器。试验表明，排沙口气流的降速幅度为93.45%，排气管气流的降速幅度为89.98%，可收集粒径大于0.024mm的土壤颗粒，进气口的等动力性为94.74%，平均集沙效率为91.25%。
　　（3）湍动能场内分布着大量的脉动气流，脉动气流从时均流中提取了较多的、易耗散的能量，是气流能量损失的主要组成部分；改进型风沙分离器内气流能量的大量损失和速度的大幅度降低归因于湍动能场的形成。
　　（4）当风速、土壤粒径分布、采集时间等一定时，对于具有较高气固分离效率的改进型风沙分离器，若要进一步提高集沙效率，关键是提高其进气口的土样采集效率。
　　（5）分流对冲与多级扩容组合式自动集沙仪具备了抗强风干扰性能，可实时、连续和远距离无线采集数据，自由旋转的起动风速为4.23m/s，平均集沙效率为90.42%，数据自动采集与无线传输系统的供电续航能力达31小时以上，无障碍时信号传输距离为208.51m，可满足土壤风蚀量的自动观测需求。

目录

声明

1 绪论

1.1 选题背景

1.2选题意义

1.3集沙仪设计原则

1.4国内外集沙仪研究进展

1.5 存在问题

1.6研究内容

2 分流对冲降速法的可行性研究

2.1分流对冲对气流降速的影响

2.2 分流对冲式风沙分离器设计

2.3分流对冲降速的可行性

2.4小结

3 风沙分离器改进模型研究

3.1管道内气流的能量损失理论

3.2扩容对气流降速的影响

3.3 基于分流对冲与多级扩容组合降速的风沙分离器改进模型设计

3.4分流对冲与多级扩容组合降速分析

3.5小结

4 气流降速与内流场特性的关系研究

4.1气流降速与速度场的关系

4.2气流降速与压力场的关系

4.3气流降速与湍动能场的关系

4.4内流场试验

4.5小结

5 气固分离与内流场特性的关系研究

5.1气固两相流模型

5.2气固两相流场特性分析

5.3气固分离的微型风洞试验

5.4 小结

6 分流对冲与多级扩容组合式自动集沙仪设计及其性能研究

6.1分流对冲与多级扩容组合式自动集沙仪设计

6.2性能试验

6.3小结

7 结论与展望

7.1结论

7.2创新点

7.3 展望

致谢

参考文献

作 者 简 介