风沙物理学复习题

风沙物理学（看做的两个实验）绪论1.风沙物理学概念：风沙物理学是以物理学的观点来研究风与沙物质地表相互作用规律的科学。第一章流体力学基本理论（看）第二章近地面气流运动规律（看）第三章沙物质及其基本性质沙物质的物理意义：能够形成风沙流的所有地表固体碎屑物质1.沙颗粒大小、形状和圆度如何描述当量直径：具有相同体积的球体直径。中值粒径：对应于重量百分数为50％的粒径。平均粒径：do=1/3(φ16+φ50+φ84)2.沙物质粒径分布如何表达分选系数：Sc=(d75/d25)1/2梯级频率粒配曲线：颗粒粒径为横坐标，重量或粒数的频率百分数为纵坐标得到的一系列相邻的矩形图组。累积频率粒配曲线：颗粒粒径为横坐标，以小于（或大于）某一粒径的颗粒重量占样品总重量百分数为纵坐标得到的图形。3.沙颗粒表面组织与环境有何关系内陆沙漠沙石英颗粒表面结构特征：较好的磨圆度；有大量的机械撞击痕迹，撞击坑成群出现；强风暴时由一次撞击作用形成碟形撞击坑；沙粒在滚动和跃移中相互磨擦、碰撞形成麻坑。化学沉淀作用发育，沉淀多见于各类撞击坑底部成硅质球，一些砂粒表面有大量沉淀形成硅质薄膜并出现裂纹．海岸沙丘沙石英颗粒表面结构特征：化学溶蚀作用较内陆沙明显，沿构造软弱部位发展成溶蚀沟、溶蚀洞，甚至出现方向性三角形坑等溶蚀形态。有代表海滩环境的水下撞击V型坑。具有代表风成环境的典型特征，如磨圆好、碟形坑，沉淀层和裂纹；有代表水下环境的撞击坑、化学溶蚀坑等。即具有海滩沙特征，又具有叠加其上或与其共生的风成环境特征。4.沙漠沙颜色是怎么回事？沙颗粒颜色—取决于矿物成分并随环境条件的改变发生变化。淡黄色、黄色、黄橙色或棕红色是典型颜色。也有一些是青灰色、红色、白色、黑色。彩色沙漠：美国科罗拉多大峡谷所在的亚利桑那州，火山熔岩矿物质沙石，具有紫色、黄色、红色、绿色、白色和兰色。库姆塔格沙漠竟然是一个五彩沙漠，沙子有红、黄、蓝、黑、白、绿等各种颜色，与我们最初想象的黄沙漫漫相去甚远。被风化的五彩的风凌石再风化就慢慢碎成了沙子，逐渐形成沙漠。黑色沙漠：卡拉库姆沙漠，棕黑色，黑色岩层风化形成。白色沙漠：美国新墨西哥州的路索罗盆地。石膏质海床几经变幻，石膏矿被风化后结晶成洁白的微小颗粒。红色沙漠：澳大利亚辛普森沙漠等。其成因是砂石上裹有一层氧化铁，这是铁质矿物长期风化漫染大漠所至。5.沙鸣现象——筛匀汰净：例如：宁夏中卫沙坡头、内蒙古银肯响沙湾、敦煌月牙山1：风选程度好，沙粒均匀一致，非毛管孔隙多。（振动频率一致，空气中振动容易传播。）(0.11~0.25mm占98％，粉沙0.82％)；2：跃移旋转运动导致沙颗粒钝／次棱角形（园度0.15～0.25）或次园状（园度0.25～0.4）；滚园沙粒不超过3％（园度0.6～1.0）。（沙颗粒运动自如）3：沙粒受热增温干燥，含水量降低，有力发声并促进传播。（沙颗粒运动自如，振动容易传播）湿沙颗粒周围水膜水的张力阻止，减弱沙颗粒自如运动和振动传播。（含水量0.4％，一般湿沙含水量4％）。人工筛匀汰净沙颗粒水洗等处理，在水、乙醚、酒精中都可发声。第四章风沙流运动1.滑移起动学：现代高速摄影资料表明，当风力达到一定值后，颗粒不仅发生滚动和滑动，更重要的是发生滑移。其运动轨迹可以是直线，但更多的是曲线。滑移与滑动不同，滑移是滑翔式运动，滑动是不离开颗粒和支撑表面的全接触式运动。滑移垂直距离一个粒径，水平几个到几十个粒径距离范围迁移。回答了流体起动条件下第一颗沙粒是如何首先跳起来的问题。2.猝发起动学的基本观点（层流底层、主流紊流层、各层对沙层颗粒的影响）。3.沙颗粒启动过程和机制：在风力作用下，当风速达到某一临界值时，个别突出的沙粒受到湍流运动和压力脉动的影响，开始出现振动或小摆动；当风速增大超过临界值之后，沙粒的振动也随之加快，正面推力和上升力也随之加大，并足以克服重力的影响，在较大旋转力的作用下，促使一些最不稳定的沙粒首先沿沙面滚动或滑动和滑移，由于沙颗粒的几何形状和所处的空间位置的多样性以及受力状况的多变性，因此，在滚动和滑移的过程中有些沙粒与地表突起的沙粒碰撞，或被其他沙粒碰撞时，会获得很大的冲量。于是，沙颗粒在冲击力的作用下，在碰撞瞬间由水平运动急剧转变为近乎垂直运动进入气流中。4.沙粒的起动风速起动风速：沙粒在一定的风力作用下开始运动，使沙粒开始运动的临界风速即为起动风速。相同条件下，流体起动风速值大于冲击起动风速值5.流体起动\冲击起动与风蚀的物理意义和他们之间的关系风蚀：气流(风力)作用下土壤圈或岩石圈的破损。风蚀过程是风力作用引起的地表物质脱离地表、搬运和再堆积过程的统一。根据气流性质之差异，风蚀又分为：吹蚀(deflation)-大气将地表沙和土壤物质吹起搬运称吹蚀，即净风侵蚀；磨蚀(abrasion)-地表物质受风沙流冲击及摩擦，即风沙流侵蚀。起动性质不同：流体起动为风蚀性起动，冲击起动为置换性起动。分选性不同：流体起动具有主动分异性，冲击起动具有随机分异性。关系：两种起动兴衰与共不可分割。6.风沙流中沙粒运动有四种形式：蠕移运动：滚动/滑动全接触式运动0.5～2.0mm，占总量1/4滑移：瞬时离开沙床表面的滑翔式（X:几～几十粒径,Y：1个粒径)跃移运动：0.5～0.05mm极易区0.2～0.15mm占总量3/4悬移运动:0.1mm，极少,近风速度在运动7.跃移质对沙粒运动物理意义1）跃移质占到风沙流总沙粒的1／2～3／4凌裕泉在新疆莎车测定风速在5～10m/s，跃移质78％——风沙流中的沙颗粒以跃移运动为主2）90%以上的跃移质都在地表附近30cm高度范围内运动——风沙流是一种贴近地表的运动现象（1-2）3）蠕移质直接从跃移质取得动量.可以推动6倍于跃移质直径，200倍于它重量的沙粒4）对悬移质的驱散作用，使悬移质容易随气漩飘移-----连锁反应：直接或间接促进地表风蚀（3-4）５）跃移质是风能消耗大户，严重阻滞流体起动作用------跃移的双重性：促进磨蚀，抑制吹蚀（3-4-5)跃移运动：起跳角α：一般大于30°，多在30～50°之间（79.5%）60～80°(27.7%）降落角β：一般小于30°，多在10～16°之间沙粒在运动过程中高速旋转，（数百到一千转）／秒8.下降颗粒对地表的碰撞的作用基础作用：使地表颗粒活化并激发起来,直接促进沙表层颗粒蠕移运动、悬移质的驱散作用，使悬移质容易随气漩飘移。发展作用：促进蠕移运动转化为跃移运动，加剧沙面的跃移运动,提高沙面的输沙强度。旋转作用：促进沙粒作旋转作用,给少数沙粒升力作用。9.空中颗粒的相互碰撞空中顶碰:下降颗粒受到上升颗粒的顶撞,以更大的角度上升,但上升颗粒受压抑而转为下降。空中切碰:两个上升颗粒或两个下降颗粒相互切碰后,受益的一方以更大的角度和速度上升,受损的一方下降。10.为何沙颗粒运动总伴随旋转运动1)沙颗粒大小不一,形状各异,表面粗造,在沙面上排列是随机的.一旦被风力吹动,颗粒表面在摩察和颗粒阻力力矩等合力力矩作用下的运动是势必是旋转运动.2)沙颗粒对地面颗粒的偏心碰撞使颗粒跃起后作旋转动运动,然后在惯性力的作用下,颗粒在空中运移也作旋转运动.3)空中旋转运动的颗粒碰撞后,使颗粒旋转运动的旋转轴和旋转形式发生变化,从而使风沙流中的旋转运动更加多变和多样化.4)气流涡体切变的变形作用促进沙颗粒作旋转运动.11.风沙流结构及其特征绝对输沙量Q：距地面一定高度的某断面,在单位时间内实际输移的沙量。g.cm-2.min-1相对输沙量Q:绝对输沙量占总沙量的百分数%结构数S:特征值λ:1)风沙流是一种贴近地表的运动动现象拜格诺发现，沙面沙颗粒最大的跃移高度为9cm。切皮尔认为，土壤表面90%风沙高度小于31cm。吴正野外观测，气流搬运的沙量80~90%在30cm高度内。2)靠近地表其气流所含沙粒越粗3)风沙流运动三大定律12.风沙流的结构式(第一定律)兹纳门斯基1958年的风洞试验结果:第1层(0—lcm)相对输沙量随着风速的增加而减少.第2层不管风速如何变化(1～2cm)，相对输沙量”保持不变”，即等于0～10cm层内总沙量20%(平均值20.57%)平均输沙量(即10％)在3—4cm层内搬运，高度和沙量保持不变，并不以风速为转移。气流较高层(2～10cm)中的相对沙量随着风速的增大而增加。第五章沙波及沙丘的形态及运动规律1.风成基面的基本特征景观性形状各异，大小不等，排列有序重现性沙丘成群分布，其形态尺寸具有重现性规整性在同一地区，沙丘起伏、疏密、间距、走向等十分规整有规律。变异性不同地区，沙丘形态、起伏、疏密等各不相同沙丘和丘间低地相间排列。2.风成基面与风沙流运动的关系（相互依存，相互促进、互为因果）3.沙纹的形态特征和形成机制。（沙纹是跃移质与床面重复冲击作用的产物）。空气流动沙纹是跃移质与床面重复冲击作用的产物水流形成沙纹是直接通过水的直接力量作用淤泥的砂颗粒形成的4.新月形沙丘形成机制：沙斑／片—气流遇到障碍物：主流；二次流；动沙阻力；饼状沙堆—背风面附面层分离，沙粒堆积：主流；二次流；动沙阻力；分离线作用盾状沙堆—附面层分离增强，沙粒堆积多：主流；二次流；动沙阻力；分离线；兽角生长作用雏形新月形—附面层分离更强，沙粒堆积：主流；二次流；动沙阻力；分离线；兽角生长作用5.二次流的物理意义及其在沙丘形成中的作用？概念：边界层上的流体，由于受到横向压差力的作用，发生垂直于主流指向压力较小一边的附加运动。形成：杯壁磨擦，周围的流体质点流速慢，压力大。二次流作用：使流体质点向着速度大、压力小的横方向运动二次流在沙片形成中的作用：二次流是叠加于主流场的附加横向流动，它能够推动主流中的沙土颗粒向着速度大、压力小的横方向运动。沙片是在合适的地表环境条件下(如地表上存在的小鼓包和脊埂等)，由于二次流的存在，它将给绕体主流中沙土颗粒以横向的推动而使之在其上聚集起来。因此，沙片应首先堆积于速度较大和凸起的区域，而不是相反。这从自然界沙片经常出现的区域，如脊埂、土包上和路堤的迎风边坡和弯道的凸出一侧(对道路)，都可以证明二次流作用是确实存在的。沙子的最初堆积，亦可能是由于地形、地物及地表糙度的突然变化而产生，甚至可能是由于气流的脉动而引起输移沙量的突然改变，从而引起了沙粒的原始堆积。但是，所有这些都不会影响二次流在较平坦地表上形成沙粒的初始堆积，特别是堆积体发展上的作用。一旦沙片形成，尽管是最初薄薄的一片，但它和小鼓包一样犹如在平坦风沙流流经的地表上附加一个向心压力场。由于沙片顶高出周围，当风速略为加大，压力稍有减小，于是二次流就会进一步把沙片周围的沙粒推向沙片顶上，使之向沙片靠拢、集中。并且由于沙片表面又附加了一个动沙面阻力，沙片会像风沙流动路上的一个过滤器，对直接通过沙片的颗粒有拦截作用。因此，沙片不但不会轻易被吹散，而且会不断发育成长。很少见到像新月形沙丘那样形成一连串由大到小的沙片串，沙片不稳定并逐渐发育成饼状沙堆，盾状沙堆，新月形沙丘。6.风积地貌形态根据成因－形态可以分成：横向沙丘：沙丘形态走向和起沙风合成风相垂直或成６０～９０度．（复合）新月形沙丘，复合）新月形沙丘链，抛物线沙丘、梁窝状沙丘、格状沙丘。纵向沙丘：沙丘形态走向和起沙风合成风相平行或成３０度以下交角．新月形沙垄。多方向风作用下的沙丘：沙丘形态本身不与起沙风合成风向或任意风向垂直或平行．金字塔沙丘、穹状沙丘、蜂窝状沙丘。7.单一风向作用下沙丘移动规律迎风面下部沙粒蠕移到丘顶后，在重力作用落入落沙坡迎风坡砂颗粒跃移过沙丘脊，跌落堆积于落沙坡蠕移和跃移的沙颗粒均是沿着垂直于沙丘脊的方向落入落沙坡堆积的。并不是按气流运动方向前进的。沙丘移动是通过“滑动面”的作用来实现的；滑动面的前移是通过一系列不连续的突变“滑塌”来实现。第六章沙尘暴形成与发展1.沙尘暴、黑风暴等概念沙尘暴是沙暴和尘暴两者兼有的总称，其中沙暴系指大风把大量沙粒吹入近地面气层所形成的携沙风暴；尘暴则是大风把大量尘埃及其它细粒物质卷入高空所形成的风暴。黑风暴是一种强沙尘暴，俗称黑风，沙尘暴的一种，大风扬起的沙子形成一堵沙墙，所过之处能