[發明專利]高速風沙躍移試驗觀測系統

在審

• 申請號: 201610139500.2
• 申請日: 2016-03-11
• 公開（公告）號: CN105758610A
• 公開（公告）日: 2016-07-13
• 發明（設計）人: 柳本立;屈建軍;秦偉;韓慶杰;郭乾坤
• 申請（專利權）人: 中國科學院寒區旱區環境與工程研究所
• 主分類號: G01M9/00
• 分類號: G01M9/00
• 代理公司: 蘭州中科華西專利代理有限公司 62002
• 代理人: 馬正良

技術領域

本發明涉及一種用于大風條件下風沙物質躍移的模擬和觀測系統。具體是一種模擬大風條件下，沙粒沖擊不同地表或礫石等障礙物后觀測沙粒的躍移高度、躍移軌跡和沙量隨高度變化的試驗和觀測裝置。

背景技術

躍移是風沙物質輸移的主要形式，風沙流中70%的沙量以躍移形式輸送。傳統研究中一般認為沙粒的躍移高度在十幾公分以下，主要集中在10公分以下，由此研發的觀測設備和開展的觀測工作都是針對較低的空間，例如野外觀測所用集沙儀高度一般在1m以下；風洞模擬試驗中，受洞體尺寸限制，最大模擬高度一般也在1m以下，風沙物質的觀測主要在30cm以內。在對風沙活動的動力條件——風力的研究中，一般的風沙風洞可以模擬20-30m/s左右的風速，對更高的風速條件則風機動力和風洞洞體穩定性難以達到試驗要求，而在這種風速條件下的風沙活動野外實時觀測比較困難。

針對某些地區的特殊大風的風沙活動研究，傳統的試驗和觀測設備顯得無能為力，這在蘭新鐵路第二雙線工程（蘭新高鐵）穿越的我國西北戈壁大風區最為明顯。例如在著名的百里風區，大風風速可達60m/s以上，可將行進中的列車吹翻造成事故；戈壁本身的風沙流躍移高度遠大于流沙地表，該區戈壁風沙流攜帶的沙物質，可翻越鐵路沿線重重的防護設施和鐵路路肩3.3m高的擋風墻而沉積在鐵軌附近，影響列車安全運營且難以清除。這種戈壁大風條件下的特殊風沙活動，超過了傳統風沙科學試驗研究的范圍，因為如此強勁的風力是各種風沙風洞試驗都無法穩定模擬的，且沙粒躍移的高度也遠遠超過了風洞的高度；而究竟多大風速條件下某種粒徑大小的沙粒可以躍移到多大的高度，在野外大風湍流的情況下也難以開展觀測，無法將沙粒躍移與風速精確對應。

目前國內外尚未開展大風條件下（即遠超過傳統的20-30m/s風速研究范圍）沙粒躍移高度的研究，而這一研究，不僅是目前風沙研究的空白所在，更是蘭新高鐵和類似廣大戈壁地區交通、能源等設施設備風沙防護迫切需要解決的問題，對于調整現有風沙防護策略措施、維持線路正常運營有著重要意義。而開展這一工作，需要能夠模擬穩定的大風和風沙流條件，以及能對較高范圍內躍移沙粒進行收集的針對性試驗和觀測設備。

發明內容

針對目前風沙研究領域對大風條件下躍移沙粒研究試驗設備的空白，本發明的目的旨在提供一種高速風沙躍移試驗觀測系統。利用該系統，可創造穩定的大風條件，模擬高速風沙流沖擊不同地表和不同角度、形態的戈壁礫石后的躍移過程，并收集所有高度上的躍移沙粒，獲得不同風速、沖擊條件下沙粒躍移的精確軌跡。該系統原理直觀，操作性強，數據結果可靠，是開展大風條件下風沙躍移研究的針對性設備，對特殊動力和下墊面條件下風沙活動的觀測研究有無法替代的作用。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種高速風沙躍移試驗觀測系統，由動力設備、控壓調壓閥、電磁閥、時控開關、噴沙槍、供沙器、試驗臺、躍移集沙儀組成。控壓調壓閥、電磁開關閥、時控開關和供沙器共同固定于工作面板上；動力設備通過軟管依次與控壓調壓閥、電磁閥至噴沙槍連接，時控開關連接電源，并通過導線分別與電源和電磁閥連接，噴沙槍的進沙口連接供沙器，試驗臺居于躍移集沙器與噴沙槍之間。

上述動力設備工作壓力范圍在8Bar（0.8MPa）以上，調壓空壓閥工作范圍在0-10Bar之間，時控開關的精度為秒，噴沙口可更換以調節噴頭內徑，集沙盒總體采集高度可通過調整集沙盒的個數而改變。

本發明的優點和產生的有益效果是：

從試驗模擬和觀測兩方面出發，將本系統的獨特性、優點和產生的有益效果概述如下：

1、本發明可模擬產生>150m/s的穩定氣流和風沙流速度且連續可調，是任何現有風沙研究風洞均無法實現的，由此可實現極端風力條件下風沙物質躍移觀測的精確模擬；

2、本發明使用控壓調閥調節輸出氣流的壓力，從而精確控制試驗氣流風速，且風速可在瞬間達到所需值，不需要傳統風洞中風機的停機和再啟動過程；

3、本發明使用時控開關和電磁閥實現系統的開閉，所模擬風力的作用時間被精確控制到秒以內尺度，實現風速與躍移觀測的準確對應；

4、本發明使用的躍移集沙儀專門針對高躍移范圍的風沙運動，采集高度可通過增加固定槽和集沙盒個數不斷調節采集高度，位置可移動，實現對躍移顆粒的全面觀測；

5、本發明所涉及的試驗動力設備通過軟管依次與控壓調壓閥、電磁閥和噴沙槍連接，觀測部分可獨立分解，拆裝便捷省力，整體系統輕便耐用，便于運輸。