宣 捷
(北京大学环境科学中心，北京 100871)
摘要 对于大气边界层中的固体粒子的风致运动——较大粒子的蠕动跃动和较小粒子的悬浮——的主要特征作了介绍.着重介绍了在悬浮粒子运动的物理模拟研究方面的一些成果：复杂地形和低层大气湍流会显著地提高起尘速率并改变降尘量的分布；有一定顺风向厚度的风障除了屏蔽效应——即背风侧平均风速的减小——外，还有减小最终进入空气的灰尘数量的“宏观吸附效应”；总结了模拟悬浮粒子运动的风洞实验所应遵循的相似性准则，并提出了模拟防尘风障的实验中的一个新的相似参数 ——孔径雷诺数，并初步测定了它的临界数值.
关键词 大气边界层；空气尘污染；起尘速率；风障；风洞实验.
MOVEMENTS OF SOLID PARTICLES IN LOWER ATMOSPHERE AND ITS PHYSICAL MODELING
Xuan Jie
(Environment Science Center, Peking University, Beijing 100871)
ABSTRACT Movements of solid particles including creeping, salting for larger particles and suspending for smaller ones were studied. It was demonstrated that a). complex terrain and turbulence of lower atmosphere seriously increased the dust emission rate; b). windbreaks of some windward width has a “macro-absorption effect” that can reduce the ultimate dust quantity into the air as well as the usual sheltering effect, i.e., the decaying of mean wind speed in the lee side of windbreaks; c). two new similarity requests, i.e., making model dust emitting surfaces with real dust (coal, soil etc.) powders and aperture Reynolds number of windbreaks higher than a critical value, should be ensured in modeling experiments of fugitive dust movements.
Keywords air pollution, modeling, atmospheric boundary layer, dust emission, windbreak, wind tunnel.
1 引言
在广阔的欧亚大陆的中心，包括中国的西北部在内，远离海洋，降水稀少，且日照强烈.在气候与地质条件几百万年的联合作用下，这里变成了干旱的沙漠戈壁. 该地区冬春季多大风，强风卷起了沙尘，较大的砂砾首先在下风向近处降落下来，造成沙漠的迁移.细尘(悬浮颗粒)升至高空，被中纬度气流携带向东至更远的距离，在东经102—114度之间的位置上沉降下来，形成了今天著名的黄土高原.有时这些浮尘可以一直飘到朝鲜半岛和日本列岛，并在那里沉降下来.所以，固体粒子的风致迁移构成了上述自然过程.这个过程已经持续了几百万年，今后还将继续下去.对上述自然过程施加有益的影响，以改善人类的生存环境是极其重要的.方法之一是在上述干旱地区大规模植树.其它与固体粒子在大气中的运动有直接关系的工程应用的例子有：农田的风蚀及防护林的防护效应，空气的尘污染，公路和铁路的防沙防雪(沙障、雪障)，以及寒带建筑物的防积雪等.风洞模拟实验(物理模拟)对了解固体粒子风致运动的机理以及工程科学应用方面的规律作出重要的贡献.近年来，计算机数值模拟与物理模拟相结合或与现场观测相结合，得到了许多有益的结果.本文在介绍大气边界层中固体粒子风致运动的一般特征以及对悬浮微粒(飘尘)运动规律的研究时，均着重在物理模拟(环境风洞实验)的方法(实验原理)和结果的讨论方面.
2 低层大气中固体粒子运动的一般特征
首先应当指出，尽管较大粒子的蠕动跃动和较小粒子的悬浮运动是同时发生的，二者的运动机理和规律以及实际的应用都很不同.前者的例子如沙粒与雪粒的运动，前人已经作了较多的理论和实验研究.空气的尘污染则是由直径小于100μm的极微小的悬浮颗粒造成的，其动力学规律的研究，例如最重要的起尘速率的研究迄今很少.
2.1 粒子在贴近地面气流中所垂直分布及其对气流的影响
测量表明，气流中的携带的雪粒的垂直分布大致可分为两层，其分界约在8－15cm的高度(依边界条件而定).下层是跃动层，上层是悬浮层.对上层，雪浓度的对数 lnC(z)(C的单位是g/m3)与高度的对数lnz成线性关系；在下层，对数传输通量lnQ(z)(Q的单位是g/(m*min))与高度z成线性关系［1］.由于沙粒的比重大于雪粒的比重，沙粒的情况又有些差别.在下层，传输通量的对数是与高度的平方根成正比［2］.对于传输速率Q，跃动粒子的贡献一般要占到80%以上.
另一方面，在被风携带的同时，近地层气流中的雪、沙、土等固体颗粒对流动的特征亦有影响.风洞模拟实验的结果表明，这种影响主要表现在：流场中某点的湍流度随该点粒子浓度的增大而减少.与此同时，实验结果表明，边界层中平均速度的分布——无论下层界壁律还是上层尾流律——均不受粒子存在的影响，且Von Karman常数κ的数值并未象预料的那样，由于粒子浓度而有相应的改变［2］.
2.2 阈值(起动)风速及粒子质量迁移的速率
只有当风速足够高，作用在固体粒子上的风力超过重力和粘附力时，粒子才能运动.这表明存在一个速度的阈值，即起动风速Vt.上述风力可认为正比于ρu′2d2，重力则正比于ρ′gd3
假定粘附力的作用比重力小得多，则可得出阈值摩擦速度的表达式：
(1)
上式中ρ和ρ′分别代表空气的密度和固体粒子的密度，u′和u′0分别代表摩擦速度和阈值摩擦速度，d为粒子的直径，g为重力加速度，A是一个须由实验确定的系数［3］.经典的风洞实验测量结果如图1，它表明，对直径大于0.20mm的粒子来说，上述平方根正比关系是肯定的.更小粒子(它们主要作悬浮运动)的起动机制要更复杂，并且粘附力的作用变得更重要，故此图中直径小于0.20mm的粒子的阈值摩擦速度不再符合式(1).
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图1 阈值摩擦速度与粒子直径的关系 由于实际地表面中固体颗粒的直径范围极广，故其阈值(起动)风速必须通过实验测定之.此外，地表面的湿度，压实的程度，有否砾石覆盖，有否植物覆盖等等因素，都对实际地面起动风速及粒子的迁移速率有重要影响［4］. 表1 不同湿度和湍流度下的阈值风速 |
| 湿度， % | 3.9 | 6.6 | 3.9 | 6.6 |
| 湍流度， % | 6 | 6 | 36 | 36 |
| 阈值风速，m/s | 4.3 | 5.1 | 2.6 | 2.6 |
3.1 湍流和复杂地形的作用及其模拟 在模拟直径很小的悬浮粒子(尘埃)的飞起、传输及沉降时，不存在佛洛德(Froude)数相似困难，因为这些悬浮粒子的运动基本上是被空气所携带，较大粒子的跃动不是模拟的主要对象，虽然后者对前者有影响.但在另一方面，实验中测定单位时间从单位表面积飞起的尘埃数量(即其起尘速率)Qe时，应注意将跃动粒子排除. 事实上，起尘表面的压实(成块) 、湿度、有否砾石覆盖及植被覆盖等因素强烈地影响到悬浮粒子的飞起过程［4］.较大粒子的存在及运动(蠕动、跃动)也对其飞起有严重影响.因此，在模拟实验中应使用真实煤粉、沙土、灰土等制作模型起尘表面，而不能象模拟跃动粒子时那样，用直径均一的模型粒子来代替真实的雪粒和沙粒［8］. 风洞实验中必须模拟大气边界层湍流，因其对悬浮粒子的飞起及其后续的传输及沉降运动有严重的影响［9］.由表1实验结果看出，高湍流度气流中的煤堆的阈值风速为2.6m/s，远小于在低湍流度气流中的数值(4.3和5.1m/s)，且对煤粉湿度不再敏感. 而由表2所列数据之比较，我们可以看出，在平均风速及湿度条件不变的情况下，高湍流度气流(I=36%)中的起尘速率竟为低湍流度气流(I=6%)情况下的3.9倍. |
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表2 各种条件下的起尘速率 |
| 实验编号 | 平均风速，m/s | 湿度，% | 湍流度，% | 起尘速率，mg/(cm2*min) |
| LDS-5 | 5.1 | 3.9 | 6 | 0.89 |
| LDS-8 | 8.3 | 3.9 | 4 | 1.94 |
| LDS-12 | 12.0 | 3.9 | 5 | 15.2 |
| LDT-5 | 5.0 | 3.9 | 36 | 3.51 |
| LWS-5 | 5.1 | 6.6 | 6 | 0.24 |
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图2 降尘量随下风距离的衰减 图2是作者测定的地面降尘量随下风距离的衰减；上面的那条拟合线是大湍流度气流实验(LDT-5)的结果，下面一条则是小湍流度气流(LDS-5)情况.低层大气湍流的影响是显然的. |
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图3 煤厂平面图 风障，如木栅、金属网、树篱等，均为多孔(疏透)介质.由于贴近地面的气流只有一部分能穿透过去，故其背风侧将有一个平均风速的减弱区.此即风障的屏蔽效应.由于屏蔽区内贴近地面风速的减弱，固体粒子的运动受到抑制.故在公路、铁路边建立沙障和雪障可避免沙和雪在道路上的堆积.防风林网则可保护干旱地区的农田减少风蚀之害. |
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图4 风障背风侧(近处)湍流受到的抑制与孔径雷诺数 |
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图5 风障背风侧(近处)模型煤堆的起尘速率 国家自然科学基金资助项目（编号49775277） 参考文献 1 Isyumov N.Modeling of snow drifting and deposition in the aerodynamic influence of building and structures. Proc ASCE Workshop on the Modeling of Wind-Blown Snow and Sand. 1994:12 |
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