不同孔隙度方格沙障内表面剪应力分布特征及其防护效能研究

《International Soil and Water Conservation Research》：The distribution characteristics of surface shear stress within checkerboard sand barriers

　　

中文摘要翻译： 表面剪应力（surface shear stress）反映了风蚀强度和沙障的遮蔽效应。作为最常见的机械固沙措施，方格沙障（checkerboard sand barrier）内表面剪应力的分布特征尚未得到阐明。本研究利用Irwin传感器（Irwin sensor）、压力扫描系统（pressure scanning system）和粒子图像测速技术（particle image velocimetry, PIV）开展风洞实验，分析了不同孔隙度（porosity, α）方格沙障内的表面剪应力分布。结果表明，在本研究涉及的风速范围内，沙障内表面剪应力随风速增大而增大，但其分布模式和变化幅度不受影响。连续沙障带内表面剪应力逐层递减，不同孔隙度沙障内部气流结构的差异导致剪应力空间分布的显著区别。对于非孔隙沙障（α = 0），Coanda效应（Coanda effect）与回流涡（recirculation vortex）的联合作用使得第一层内剪应力沿流向呈"递减-递增-递减"趋势，而后续各层内呈"递减-递增-递减-递增"模式。对于孔隙沙障，剪应力逐层呈振荡衰减，各层内呈指数递减。此外，剪应力的定量比较表明，孔隙度为26.3%的沙障具有最优防护效能。基于实测数据，研究人员建立了以流向位置和层数为自变量的沙障带内表面剪应力数学模型。本研究有助于深入理解方格沙障的固沙机理和内部空气动力学特性。

论文解读文章

一、研究背景与科学问题

风沙灾害对干旱/半干旱地区的人类活动、经济建设和生态安全构成严重威胁，实施治沙工程是防控风沙灾害的重要举措。方格沙障凭借成本低、施工简便、效果显著等优势，成为应用最广泛的机械固沙措施，不仅在中国荒漠化治理和栖息地恢复工程中得到大规模应用，还被推广至蒙古、伊朗、埃及等众多国家。因此，深入研究方格沙障的防护机理具有重要的科学意义和应用价值。

现有研究主要聚焦于方格沙障的防护原理与效能，涵盖风速分布、输沙通量、蚀积格局、材料优化和几何设计等方面。已有研究揭示了方格沙障能够增大下垫面粗糙度、降低近壁风速和输沙强度，并在沙障内形成稳定的凹形沉积面。数值模拟和风洞实验表明，方格沙障的布设使地表上方沙尘通量密度不再符合指数衰减规律，沙障带内风速沿流向呈"下降-稳定-恢复"三阶段变化。孔隙度通过调节气流结构和动量传递效率显著影响沙障防护能力，是沙障设计的核心形态参数之一，已有研究提出20%～30%的最优孔隙度范围。

然而，风沙侵蚀的物理过程和强度取决于表面剪应力与颗粒起动阻力的相对大小。表面剪应力是表征气流与可蚀地表相互作用的关键动力学参数，直接控制沙粒的剥离、输运和沉积过程，其空间变化决定了风蚀强度的分布格局。尽管方格沙障的防护原理已有较多研究，但现有工作主要集中于风沙输运过程参数和遮蔽效能的现象学层面，尚未从表面剪应力定量分析的角度深入探究方格沙障防风固沙功能的动力学机制。方格沙障作为典型的人工粗糙元，通过产生局部阻力和气流湍流显著改变其覆盖区域内的剪应力原始分布，形成复杂的空间变化格局。然而，针对方格沙障内表面剪应力的研究仍然缺乏，这阻碍了对该类沙障防护力学原理和动力学机制的深入理解。

二、研究内容与主要结论

针对方格沙障内表面剪应力研究空白，本研究首次利用Irwin传感器、电子压力扫描系统和二维粒子图像测速（PIV）技术，对不同孔隙度方格沙障内剪应力空间分布进行了测量和定量分析。研究分析了四种孔隙度（α = 0、26.3%、44.7%和56.2%）方格沙障内表面剪应力的空间分布特征，探讨了不同孔隙度沙障内剪应力变化趋势差异的成因，并基于精确测量数据构建了各孔隙度多层沙障带内表面剪应力的数学表征模型。研究结果表明，孔隙度是影响方格沙障内表面剪应力变化模式的重要因素，这归因于其对气流结构的显著调控作用。非孔隙沙障的强阻挡效应使其内表面剪应力分布受Coanda效应和回流涡共同影响。尽管多层非孔隙方格沙障带内表面剪应力沿流向逐层递减，但第一层内剪应力呈含一个波谷和一个波峰的"S"形分布，而第二至四层呈含两个波谷和一个波峰的"W"形特征，其潜在原因是后续各层后部区域由第二个回流涡引起的局部气流再附着和剪切作用。相比之下，由于孔隙结构的通风效应，三种孔隙沙障带（α = 26.3%、44.7%和56.2%）内表面剪应力均呈流向"振荡衰减"趋势。相对简单稳定的气流结构使孔隙沙障带各层内剪应力遵循指数衰减规律，且衰减率逐层递减。在本研究涉及的孔隙度条件下，孔隙度为26.3%的方格沙障最有效地降低了沙障内表面剪应力，从而具有最优的防风固沙能力。此外，拟合分析表明方格沙障带内归一化表面剪应力可通过包含层数和流向位置的模型进行计算。这些发现增进了对方格沙障内部空气动力学和防护机理的理解，为沙障效能评估和优化设计提供了新视角。

三、关键技术与方法

本研究在兰州大学开式多功能环境风洞中开展实验。实验采用高20 cm、边长1 m（高宽比0.2）的方格沙障模型，使用2.5 cm厚木板构建非孔隙沙障（α = 0），采用工程中常用的高密度聚乙烯（HDPE）网制作其余三种不同孔隙度沙障（α = 26.3%、44.7%和56.2%），孔隙度通过投影法测定。表面剪应力测量采用Irwin传感器和压力扫描系统（Scanivalve Inc.，美国），沿沙障中心线等间距布设13个传感器，间距7 cm。流场测量采用二维PIV系统，视场为15 cm × 36 cm，拍摄区域位于方格内部中段，每种工况重复采样5次，每次记录600对双帧图像。实验在无沙条件下进行，风速范围为13.78～20.12 m/s（对应摩擦速度0.386～0.546 m/s），PIV观测在7.62 m/s风速下进行。

四、研究结果

（一）不同孔隙度方格沙障内表面剪应力的空间分布

各孔隙度方格沙障内表面剪应力随风速增大而增大，与平坦地面剪应力随风速的变化规律一致。非孔隙沙障（α = 0）内剪应力沿流向呈"递减-递增-递减"趋势，最小值出现在x_w/l_b = 0.15处，最大值出现在方格中后部x_w/l_b = 0.78处，与已有数值模拟结果一致。孔隙沙障（α = 26.3%、44.7%和56.2%）内剪应力沿流向逐渐减小，最大值位于最前部测点x_w/l_b = 0.08，最小值位于最后部测点x_w/l_b = 0.92。

利用平坦地面表面剪应力对沙障内剪应力进行归一化后发现，各流向位置处归一化剪应力不随风速变化，表明在本实验风速范围内剪应力相对变化程度几乎不受风速影响。非孔隙沙障中后部区域（0.64 < x_w/l_b < 0.92）归一化剪应力超过1.0，最大达1.48，表明该区域剪应力大于同风速下平坦地面，即非孔隙沙障未能实现降低侵蚀强度和固定地表沙粒的效果。孔隙沙障内归一化剪应力随孔隙度增大而增大，但各沙障内均保持在1.0以下，有效降低了沙障内表面对气流的剪切强度。各孔隙沙障内归一化剪应力沿流向呈指数衰减形式，α = 26.3%、44.7%和56.2%沙障内剪应力分别下降约0.68、0.65和0.56，下降幅度随孔隙度增大而减小。四种沙障中，α = 26.3%的沙障降低表面剪应力效率最佳，与已有研究提出的最优孔隙度20%～30%结论一致。

（二）表面剪应力不同空间分布模式的形成机制

通过PIV测量分析沙障内部流场发现，非孔隙沙障中心点（x_w/l_b = 0.5）处z/h_b < 1.13高度范围内风速为负值，最大负风速达?3.49 m/s，表明沙障内存在强回流。流线图和合成速度云图显示非孔隙沙障内存在显著的回流涡，产生大范围负速度区域。三种孔隙沙障内风速廓线形状相似，各高度风速均低于平坦地面且无负风速，流线平直无方向逆转，几乎不产生负速度区域，未形成明显回流涡。孔隙沙障与孔隙沙障内部气流结构存在显著差异，由于表面剪应力直接受近壁流场控制，气流结构差异是孔隙与非孔隙沙障内剪应力空间分布模式显著不同的潜在原因。

对于非孔隙沙障，Coanda效应使沙障顶部加速气流附着于背风侧和背风基底并向前运动，形成小尺度（流向尺度约为障碍特征长度的0.6～1倍）低强度逆时针旋转涡。前两个测点（x_w/l_b = 0.08和0.15）分别对应0.4h_b和0.75h_b的流向位置，均位于Coanda效应产生的涡范围内，该涡强度低、对壁面剪切作用弱，因此剪应力处于较低水平。Coanda涡后部区域（x_w/l_b = 0.22～0.92）的剪应力空间演变主要受回流涡调控，回流涡核心处产生相对较高的平均表面剪应力值，向两侧边界靠近时该值下降，因此非孔隙沙障内剪应力在x_w/l_b = 0.22～0.92区域沿流向呈"先增后减"模式，回流涡核心大致位于x_w/l_b = 0.78处对应剪应力最大值。对于孔隙沙障，内部表面剪应力沿流向分布主要受近壁风速变化影响，三种孔隙沙障内近壁风速均沿流向逐渐减小，导致表面剪应力逐渐降低；近壁风速下降速率随孔隙度增大而减小，因此α = 26.3%沙障内剪应力沿流向衰减最快，α = 44.7%次之，α = 56.2%变化最平缓。

表面剪应力空间分布模式对沙障内沙粒运动和地表形态有重要影响。非孔隙沙障中后部因回流涡反向侵蚀产生高剪应力区域，地表颗粒受与流向相反的剪切作用而向上风侧移动，导致沙障后部侵蚀、前部积沙的地表形态。孔隙沙障内剪应力沿流向递减且方向与来流一致，前部沙粒被侵蚀并向下风向输运，中后部地表接受沙粒沉积并保持相对稳定。

（三）多层方格沙障带内表面剪应力变化趋势与定量表征

实际治沙工程中方格沙障通常连续多层布设形成沙障带，本研究采用四层方格沙障带模型进行测量。非孔隙沙障带内剪应力逐层递减，第一至四层平均剪应力相对平坦地面的降低幅度分别为16.62%、49.79%、64.36%和73.94%，防护效能逐层提高。第一层内归一化剪应力沿流向呈"递减-递增-递减"（"S"形）变化，而第二至四层呈"递减-递增-递减-递增"（"W"形）模式，最后测点出现第二个剪应力峰值。数值模拟研究表明，第一层沙障的阻挡作用使后续各层内回流涡减弱并分裂为两部分，涡核分别位于沙障中部和后部区域，第二个回流涡的产生可能是非孔隙沙障带第二至四层后部剪应力重新增大的可能原因。

三种孔隙沙障带内归一化剪应力从第一层到第四层呈"振荡衰减"特征，即后一层前部剪应力超过前一层后部剪应力，类似于已有研究中草方格沙障带内近壁风速的波状衰减趋势。各孔隙沙障带每一层内归一化剪应力沿流向指数衰减，同一x_w/l_b处剪应力逐层递减。α = 26.3%沙障带第一至四层分别降低表面剪应力58.59%、75.5%、85.21%和91.56%；α = 44.7%沙障带分别降低54.4%、72.1%、82.91%和89.67%；α = 56.2%沙障带降低幅度最小，分别为48.72%、65.87%、78.37%和86.93%。四种孔隙度中，α = 26.3%多层方格沙障带具有最优风沙控制能力。回流涡的存在是非孔隙多层沙障带防护效能显著弱于三种孔隙沙障带的潜在原因。

基于测量数据，研究采用三次多项式拟合非孔隙沙障带第一层内归一化剪应力分布，采用四次多项式描述第二至四层内变化趋势，并建立了四次多项式中待定系数与沙障层数N的指数关系式，构建了非孔隙沙障带内归一化剪应力的表征模型。残差随机性检验和贝叶斯信息准则（BIC）分析表明高阶多项式函数不存在过拟合问题，所选阶数合理。孔隙沙障带各层内归一化剪应力沿流向均符合指数函数形式，但不同孔隙度沙障带中待定系数（y₀、A和R₀）随层数N的变化公式不同，分别建立了三种孔隙度沙障带的表征模型。

五、讨论与结论

讨论部分指出，本研究仅测量了沿沙障中心线的流向表面剪应力分布，并利用二维PIV分析了中心线所在平面的流场，但二维PIV仅能测量激光片层内的两个速度分量，无法同步获取完整三维流场信息。已有数值模拟研究表明，非孔隙方格沙障中部横截面和两个后角处存在两个旋转方向相反的展向涡，后角处展向涡强度更高，前部区域无展向涡形成。展向涡将经过沙障两侧的运动沙粒卷入沙障内部，并驱动沙障内沉积颗粒向两侧壁和后角移动，从而调控地表沙粒的再分布过程，影响沙障内床面形态演变。但该研究仅针对非孔隙方格沙障，孔隙方格沙障内展向流和颗粒运动特征仍需进一步探索。

方格沙障的空气动力学特性和遮蔽效能与几何尺寸、孔隙度及孔洞分布和形状等参数有关。高宽比是控制沙障性能的关键因素，合理的高宽比能有效降低近地表风速、促进沙粒沉积并抑制沙障内沙粒的起动和再输运。实际应用中不同地区采用的高宽比通常为0.1～0.3，平坦沙面上最广泛使用的是0.2～0.25的沙障。本研究采用边长1 m、高20 cm（高宽比0.2）的典型尺寸方格沙障模型开展实验，所建模型的计算结果适用于高宽比为0.2的沙障。高宽比的变化可能影响沙障内表面剪应力的大小、非孔隙沙障内剪应力峰值位置以及孔隙沙障内剪应力衰减速率。未来研究可基于具体实验数据，将方格沙障的无量纲几何参数引入待定系数与层数的关系式中，建立待定系数随高宽比和层数变化的函数关系，这是推广本研究模型以计算其他尺寸方格沙障带内表面剪应力的可行途径。

研究结论翻译：通过风洞实验，本研究考察了不同孔隙度方格沙障内表面剪应力的流向空间分布特征及其动力学成因。孔隙度是影响方格沙障内表面剪应力变化模式的重要因素，这归因于其对气流结构的显著调控。非孔隙沙障（α = 0）的强阻挡效应使其内表面剪应力分布受Coanda效应和回流涡共同影响。尽管多层非孔隙方格沙障带内表面剪应力沿流向逐层递减，但第一层内剪应力呈含一个波谷和一个波峰的"S"形分布，而第二至四层呈含两个波谷和一个波峰的"W"形特征，其潜在原因是后续各层后部区域由第二个回流涡引起的局部气流再附着和剪切作用。相比之下，由于孔隙结构的通风效应，三种孔隙沙障带（α = 26.3%、44.7%和56.2%）内表面剪应力均呈流向"振荡衰减"趋势。相对简单稳定的气流结构使孔隙沙障带各层内剪应力遵循指数衰减规律，且衰减率逐层递减。在本研究涉及的孔隙度条件下，孔隙度为26.3%的方格沙障最有效地降低了沙障内表面剪应力，从而具有最优的防风固沙能力。此外，拟合分析表明方格沙障带内归一化表面剪应力可通过包含层数和流向位置的模型进行计算。这些发现增进了对方格沙障内部空气动力学和防护机理的理解，为沙障效能评估和优化设计提供了新视角。然而，本研究仅考察了单一尺寸、少数孔隙度方格沙障在特定风速范围内沿中心线的流向表面剪应力分布，未来研究应进一步探索更广泛风速条件下不同尺寸和多种孔隙度方格沙障更大区域内表面剪应力的分布特征，以更完整地揭示此类沙障的防护机制。