新型農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀性能試驗(yàn)研究

司志民，陳　智，宋　濤，肖　璟

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，呼和浩特　010010)

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新型農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀性能試驗(yàn)研究

司志民，陳智，宋濤，肖璟

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，呼和浩特010010)

摘要：從設(shè)計(jì)集沙儀的基本原則入手，介紹了新型農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀的結(jié)構(gòu)及工作原理，并利用Fluent軟件對集沙儀風(fēng)沙分離器進(jìn)行了數(shù)值模擬。從數(shù)值模擬結(jié)果看，排氣口和排沙口氣流降幅約90%左右。經(jīng)0FDY-1.2移動式風(fēng)蝕風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：新型農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀的大幅度降速性能為提高集沙效率起到了關(guān)鍵作用，平均集沙效率達(dá)92.29%，等動力性達(dá)95.8%，能較好地滿足了風(fēng)洞試驗(yàn)和風(fēng)蝕觀測要求。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田土壤風(fēng)蝕；集沙儀；風(fēng)沙分離器；集沙效率

0引言

農(nóng)田土壤風(fēng)蝕是在風(fēng)力作用下剝蝕、分選、搬運(yùn)的過程，不僅使土壤質(zhì)地變粗、結(jié)構(gòu)變壞、土壤肥力降低、可持續(xù)生產(chǎn)能力減小，而且容易引起沙塵暴、揚(yáng)沙等自然災(zāi)害，空氣和水質(zhì)也會受到不同程度的污染，同時也導(dǎo)致農(nóng)作物的產(chǎn)量下降等問題[1-2]。農(nóng)田土壤風(fēng)蝕源于氣候、土壤和植被等多個風(fēng)蝕影響因子的綜合作用，但不同的耕作方式和種植模式對農(nóng)田風(fēng)蝕的影響也很大。研究農(nóng)田土壤風(fēng)蝕，揭示風(fēng)蝕氣候侵蝕力的特點(diǎn)和對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的主要危害，可以對農(nóng)田進(jìn)行有針對性地保護(hù)性耕作，減少農(nóng)田土壤侵蝕和減輕沙塵暴的發(fā)生。

遏制土壤風(fēng)蝕，必須搞清楚農(nóng)田土壤風(fēng)蝕的發(fā)生機(jī)理。因此，需要一種設(shè)備能采集到土壤發(fā)生風(fēng)蝕過程中在風(fēng)力作用搬運(yùn)的土壤顆粒。在這種背景下，農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀應(yīng)運(yùn)而生。通過農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀，可以測到風(fēng)蝕農(nóng)田的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，建立單寬輸沙率和總輸沙率與風(fēng)速之間的關(guān)系[3]，對治理農(nóng)田土壤風(fēng)蝕有著指導(dǎo)性的作用。農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀結(jié)構(gòu)的差異對輸沙率的測定和風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的研究有很大的影響，因此對農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀性能進(jìn)行研究是很有必要的。

1農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀設(shè)計(jì)原則

美國風(fēng)力工程師J.E.Stout和D.W.Fryrear在論文“Performance of a windblown-partcle”中指出：當(dāng)集沙儀滿足等動力性、高效率性和非選擇性3條基本原則時具有采樣精確性[4]。等動力性是指在氣流場中的集沙儀采集口風(fēng)速相等于流場的自由風(fēng)速；高效率性是指集沙儀能夠最大限度地采集到采集口方向的風(fēng)沙侵蝕量；非選擇性是指集沙儀采集規(guī)格大小不等的土壤顆粒應(yīng)具有等效率性。集沙效率指的是集沙儀采集到的輸沙量和實(shí)際輸沙量之比，是用來衡量集沙儀是否具有高效率性的標(biāo)準(zhǔn)。此外，研究[1]表明：在地表50cm高度以下的輸沙量占總輸沙量的98.15%～98.90%，故研制集沙儀時采集口多設(shè)計(jì)在0～60cm高度內(nèi)。

2新型農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀結(jié)構(gòu)及工作原理

新型農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀主要由風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)沙分離器、旋轉(zhuǎn)座、軸承座、集沙盒、球軸承和數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

該集沙儀主要用于野外風(fēng)蝕量觀測。在不同位置、不同高度放置多臺這樣的集沙儀，當(dāng)挾風(fēng)沙氣流進(jìn)入集沙儀時，在風(fēng)沙分離器作用下，風(fēng)沙發(fā)生分離，氣體從排氣口排出，沙塵則落入集沙盒；懸臂梁傳感器自動采集沙塵質(zhì)量，并自動記錄。

3風(fēng)沙分離器速度場數(shù)值模擬

利用Gambit軟件建立集沙儀風(fēng)沙分離器三維仿真模型，劃分網(wǎng)格，設(shè)置采集口(即inlet)為自由流入口(即velocity_inlet)，設(shè)置排氣口和排沙口為自由流出口(即outflow)，邊界條件設(shè)置完畢后保存成msh格式文件。

進(jìn)入Ansys Fluent環(huán)境，設(shè)置inlet為13.5m/s(強(qiáng)風(fēng)環(huán)境)，湍流強(qiáng)度為4.5%，水力直徑為0.018m。由于氣流相對速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于音速，故將其按不可壓縮流體進(jìn)行處理，其余設(shè)置默認(rèn)。初始化賦值后進(jìn)行計(jì)算，得出其速度場分布圖，如圖2所示。

1.風(fēng)向標(biāo)　2.風(fēng)沙分離器　3.旋轉(zhuǎn)座　4.軸承座　5.集沙盒

從圖2中看出：氣流以13.5m/s速度進(jìn)入集沙儀風(fēng)沙分離器，在其內(nèi)部結(jié)構(gòu)作用下，風(fēng)速大幅度降低，在排氣口處降至1.47m/s左右，降幅約89.11%；排沙口處降至0.74m/s左右，降幅約94.52%。

4新型農(nóng)田集沙儀集沙效率試驗(yàn)

集沙效率試驗(yàn)選擇在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)自制的0FDY-1.2移動式風(fēng)蝕風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。該風(fēng)洞試驗(yàn)段寬度為100cm、高度為120cm,可以對0～18m/s風(fēng)速進(jìn)行連續(xù)可調(diào)，軸向的壓力損失極小，風(fēng)洞流場性能也基本不受壁面的影響[5]。

試驗(yàn)前，將裝有風(fēng)沙分離器的試驗(yàn)架放置于距風(fēng)洞口150cm處的試驗(yàn)段，進(jìn)氣口對準(zhǔn)來流方向和風(fēng)洞中心軸線。

4.1等動力性試驗(yàn)

將Testo 425熱敏風(fēng)速儀探桿從風(fēng)洞頂部試驗(yàn)孔伸入，探頭置于進(jìn)氣口前方10cm位置，與進(jìn)氣口中心線齊平，隨機(jī)讀取10個瞬態(tài)值(即參照風(fēng)速)；再將探頭放置于排氣口中心位置，對準(zhǔn)來流方向，隨機(jī)讀取10個瞬態(tài)值(即進(jìn)氣口風(fēng)速)。

4.2土樣粒徑收集范圍

將風(fēng)速儀探頭放置于風(fēng)沙分離器排氣口中心位置，正對排氣口的排氣方向，隨機(jī)讀取10個瞬態(tài)值(即排氣口風(fēng)速)。

4.3集沙效率試驗(yàn)

試驗(yàn)土樣經(jīng)自然干燥，用標(biāo)準(zhǔn)篩篩出粒徑小于0.5mm的混合土樣，取84份，每份5kg。試驗(yàn)時，以進(jìn)氣口的下端面為基準(zhǔn)，選取1、4、8、16、22、32、40cm 7個采集高度，每個采集高度取9、12、15、18m/s 4個試驗(yàn)風(fēng)速。開啟風(fēng)機(jī)，待試驗(yàn)段風(fēng)速達(dá)到預(yù)定風(fēng)速后，開啟土樣輸送器，土樣在風(fēng)洞內(nèi)隨風(fēng)而起，形成風(fēng)沙流，如圖3所示。待土樣輸送完畢后，關(guān)閉風(fēng)機(jī)，將集沙盒內(nèi)的土樣稱重并記錄數(shù)據(jù)，按以上步驟，每個試驗(yàn)風(fēng)速做3次，取其均值，集沙量小于0.01g時不記錄。

1.風(fēng)機(jī)　2.整流段　3.多孔板　4.蜂窩器　5.阻尼網(wǎng)

4.4試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.4.1等動力性

從表1中看出：進(jìn)氣口風(fēng)速與參照風(fēng)速均值之比為0.958，即等動力性達(dá)95.8%。研究[6-7]表明：只要集沙儀的進(jìn)氣口風(fēng)速與其參照風(fēng)速之比達(dá)到0.91以上，便可以認(rèn)為在一定程度上符合了等動力性的要求。

表1參照風(fēng)速與進(jìn)氣口風(fēng)速

Table 1Referring to the wind speed and air intake wind speed

m/s

4.4.2土樣粒徑收集范圍

從表2看，排氣口風(fēng)速均值為1.34m/s，略低于數(shù)值模擬結(jié)果，再將該試驗(yàn)均值V0=1.34m/s帶入沙塵顆粒的懸浮公式[8]得

式中V0—沙塵懸浮速度(m/s)；

d*—沙塵直徑(m)；

ρ*—沙塵密度(kg/m3)；

ρ—地表空氣密度(kg/m3)；

c—系數(shù)，一般取0.4；

M—沙塵質(zhì)量(kg)。

由此可得，d*=0.025mm，故從理論上講，該新型農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀可收集粒徑大于0.025mm的土樣。

表2　排氣口風(fēng)速

4.4.3集沙效率

集沙效率是衡量集沙儀性能的關(guān)鍵指標(biāo)。

由于該集沙儀進(jìn)氣口高度為2.25cm，故可將表3中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為進(jìn)氣口單位高度的土樣采集量，如表4所示。

表3　不同風(fēng)速下進(jìn)氣口高度2.25cm以內(nèi)的土樣采集量

續(xù)表3

表4　不同風(fēng)速下進(jìn)氣口單位高度的土樣采集量

再利用MatLab軟件對表4的散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，以吻合度為參照，得出各風(fēng)速下的風(fēng)蝕量廓線，如圖4所示。

v=9m/s

v=12m/s

v=15m/s

v=18m/s

從圖4中看出：這4條風(fēng)蝕量廓線符合指數(shù)分布，即

q=aebz

式中q—某采集高度的土樣采集量(g)；

a、b—系數(shù)；

z—采集高度(cm)。

再將采集量q積分，可得1～40cm高度的總采集量(即實(shí)測輸沙量)為

從表4中看出：風(fēng)洞40cm高度以上土樣采集量幾乎為0，則可認(rèn)為風(fēng)洞40cm高度內(nèi)的土樣采集量近似等于120cm高度內(nèi)的土樣采集量。又由于風(fēng)洞100cm寬度上輸沙量為5kg，而集沙儀進(jìn)氣口寬度為1.5cm，故在1.5cm寬度上的理論輸沙量為75g。而集沙效率是集沙儀實(shí)測輸沙量與理論輸沙量之比，故可得該新型農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀在不同風(fēng)速下的集沙效率，如圖5所示。

表5　不同風(fēng)速下1.5cm寬度上的土樣采集量

續(xù)表5

圖5　集沙效率隨風(fēng)速變化圖

從圖5中看出：集沙效率隨風(fēng)速變化較為平穩(wěn)，在9～18m/s風(fēng)速下，其值介于88.03%～94.49%之間，平均集沙效率為92.29%。

5結(jié)論

1)新型農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀風(fēng)沙分離器的大幅度降速性能為提高集沙效率起到了關(guān)鍵作用，理論上可收集粒徑大于0.025mm的沙塵，平均集沙效率達(dá)92.29%，等動力性達(dá)95.8%，符合集沙儀設(shè)計(jì)的基本原則，能較好地滿足風(fēng)洞試驗(yàn)和風(fēng)蝕觀測要求。

2)排氣口風(fēng)速的試驗(yàn)結(jié)果略低于數(shù)值模擬結(jié)果，可以認(rèn)為數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的。

3)土壤風(fēng)蝕集沙儀是土壤風(fēng)蝕觀測的關(guān)鍵設(shè)備，今后的設(shè)計(jì)工作將是以提高集沙儀性能為目標(biāo)而進(jìn)行優(yōu)化，同時也要考慮加工工藝、經(jīng)濟(jì)成本等，讓研發(fā)的集沙儀更具有科學(xué)性、實(shí)用性和推廣前景。

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Abstract ID:1003-188X(2016)07-0216-EA

Performance Experimental Study on a New Sand Sampler for Farmland Erosion

Si Zhimin， Chen Zhi， Song Tao， Xiao Jing

(College of Machine and Electronics Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018,China)

Abstract：From the basic principles of the design collection instrument sand paper introduces a new collection of farmland erosion and sediment structure and working principle instrument using Fluent software instrument collection sand sand separator was simulated.From the simulation results, the exhaust port and the discharge sand breath flow fell about 90%.After 0FDY-1.2 Mobile erosion wind tunnel test verification, the results show a significant deceleration performance of new farmland erosion and sediment analyzer set to improve the collection efficiency has played a key role in the sand,sand average collection efficiency of 92.29%,and other power of up to 95.8 %, we can better meet the requirements of wind tunnel tests and wind observation.

Key words：soil erosion farmland; set instrument sand; sand separator; set sand efficiency

文章編號：1003-188X(2016)07-0216-04

中圖分類號：S237

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：司志民(1989-)男，河北張家口人，碩士研究生，(E-mail)hbsizhimin@163.com。通訊作者：陳智(1962-)，男，內(nèi)蒙古察右前旗人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)sgchenzhi@imau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41361058；41161045)

收稿日期：2015-07-01