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我司参与兰大“风沙运动的多场耦合特性及规律的力学研究”项目


  兰州大学风沙运动的多场耦合特性及规律的力学研究项目获教育部高等学校科学研究youxiu成果奖自然科学奖一等奖,这是继周又和教授与郑晓静院士于2005年在电磁固体力学领域的研究成果获教育部自然科学奖后再次获得该奖项。


  该项目针对沙漠化及沙尘暴重大环境课题,开展了以揭示其特征与规律的风沙运动力学的基础研究。我司有幸参与了项目课题的设备服务工作,为课题组从2012年开始提供高精度的风沙测量仪器及数据接收存储设备,并提供全程的安装调试服务,为科研提供有力的售后保障服务。


  该项目蕞初面临理论模型不成熟和实验技术限制的情况,加之遇到的多场耦合、随机性、跨尺度、非线性等交织的共性科学难题,课题组立足科学前沿,从力学深层次上提出了一新的学术思想,将风的测量分为“展”向和“流”向进行矩阵分布,并设立30米的主塔,作为风沙主梯度进行测量研究。当流场有一个主要的流向时,涡的方向和此流向平行叫流向涡;涡的方向和此流向垂直叫展向涡。一般的涡可以分解成流向涡与展向涡两个分量。展向观测由八个小塔组成,每个塔垂直方向分四层观测层。流向观测由十五个小塔组成,每个小塔为一层观测层。

  30米主塔为涡的主观测点,塔上粉尘观测分十一层,分别为0.9米、1.71米、2.5米、3.49米、5米、7.15米、8.5米、10.24米、14.65米、21米、30米观测层。观测每层PM10以内的粉尘浓度。粉尘仪都装在高强度、耐腐蚀的保护箱内,使用支架安装到铁塔横臂上。粉尘仪全部为供电自启动模式,数据由一台CR3000采集器处理,保证了数据的同步性。

  30米塔三维风观测分十五层,分别为0.1米、0.2米、0.3米、0.5米、0.9米、1.71米、2.5米、3.49米、5米、7.15米、8.5米、10.24米、14.65米、21米、30米观测层。



  此次形成了由基础实验和基本模型建立和高精度定量分析方法相结合的一条合理、完整、可行的研究路线,采用了气-沙两相流的理论框架和研究手段,增进了对复杂系统随机性、非线性、多场耦合和跨尺度等共性科学问题开展有效研究的认知,有力地促进了风沙运动力学研究的向前发展。而在基础实验及数据处理方法、基本理论建模及定量分析、以及有效揭示风沙流特征规律等方面均取得了原创成果。


  该项目所取得的研究成果已获国内外力学、颗粒物理、大气、环境、制药、空间科学等领域学者的高度好评和大篇幅采用,其研究对这一领域和本学科起到了引领性的作用。

  据悉,沙漠化与沙尘暴是备受国际关注的重大环境灾害,其产生主因是大量散体沙粒在风场作用下的集群运动,即风沙运动。由于沙粒运动的随机性以及与风场湍流和与流动沙床表面间的互馈所导致的多重非线性、两相流与热对流和风沙电场的多场耦合性、沙粒碰撞地表的击溅过程与风沙流形成演化过程交织的跨尺度性,使得对风沙运动规律的认知和揭示一直成为风沙物理学和沙漠化研究的难点。2005年《Science》列出125个重要科学问题中唯壹与力学直接相关的问题是能否发展关于湍流动力学和颗粒材料运动学的统一理论,而风沙运动研究作为这类重要科学问题的典型对象是力学面临的新挑战。


目前该课题组,已经在国内外发表多篇论文:

1.Tianli Bo, Xiaojing Zheng, Shaozhen Duan, Yirui Liang, The influence of sand diameter and wind velocity on sand particle lift-off and incident angles in the windblown sand flux, Sedimentary Geology, 2013, 290(4):149-156

2.HongYou Liu,GuoHua WangXiaoJing ZhengSpatial Length scales of large-scale structures in atmospheric surface layers, Physical Review Fluids,2017.6.16, 2(6):064606

3.HongYou Liu, TianLi Bo, YiRui Liang, The variation of large-scale structure inclination angles in high Reynolds number atmospheric surface layers, Physics of Fluids, 2017.3.24, 29(3):035104

4.Guohua Wang, Xiaojing Zheng, Very large scale motions in the atmospheric surface layer: a field investigation, Journal of Fluid Mechanics, 2016,802:464-489

5.Guohua Wang, Tianli Bo, Jinghong Zhang, Wei Zhu, Xiaojing Zheng, Transition region where the large-scale and very large scale motions coexcist in atmospheric surface layer, Journal of Turbulence, 2014,15(3): 172-185

6.Guohua Wang, Tianli Bo, Jinghong Zhang, Dezhen Zhu, Xiaojing Zheng, The critical frequency of the large-scale vortices and the background turbulence in desert area, Atmospheric Research, 2014,143(24):293-300


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