Движущие силы ветровой эрозии. Природа подъемной силы

Рубрики: Рефераты

Рассмотрены существующие представления о действующих силах ветровой эрозии почвы. Предложен и обоснован механизм возникновения подъемной силы ветра, который обобщает предложенную Н. Е.Жуковским идею вихревой природы силы, захватывающей твердую частицу из воздуха, на случай захвата частицы с поверхности почвы. Обоснована и реализована методика определения подъемной силы и межагрегатного сцепления в насыпных образцах монофракций почв на основе их испытаний в аэродинамической трубе. Проведено сравнительное исследование подъемной силы и касательного напряжения как причин ветровой эрозии.

Рассмотрим действующие силы и выделим главные, определяющие процесс. Поскольку при отсутствии ветра эрозия не наблюдается, главными являются аэродинамические силы. Силам электрической природы остается отклоняющее воздействие, которое в условиях выпадения пыли из спокойной атмосферы может стать существенным фактором в формировании полей её аккумуляции [138]. Учитывая данные [76] о том, что силы электрической природы имеют второй порядок малости по сравнению с аэродинамическими силами, опустим их из рассмотрения, имея в виду получение простого и прозрачного решения. Ограничиваясь квазистационарным приближением в исследовании эрозии, опустим также силы Бассэ и присоединенных масс [132]. Имея в виду, что в момент отрыва частица не вращается, опустим и силу Магнуса, которая проявляется при больших угловых скоростях частицы в воздухе [90, 197]. Природу подъемной силы, которая обеспечивает ускорение частицы в вертикальном направлении, и силы лобового давления, которая обеспечивает ускорение частицы в направлении ветра [10, 14, 62, 70, 85, 219, 234], будем исследовать в рамках принятых в п. 2.3 приближений.

При решении вопроса о природе подъемной силы воздушного потока воспользуемся идеей Н. Е. Жуковского о захвате и переносе твердых частиц вихрями [79]. Отличительной особенностью вихрей является то, что скорость движения воздуха в них стремительно возрастает в направлении от периферии к оси вращения, а давление столь же стремительно падает [131, 195, 199]. Жуковский дал не только идею, но и теорию захвата летящей частицы плоским эллиптическим вихрем через боковую «поверхность» в связанных с ним координатах. В соответствии с этой теорией захваченная частица перемещается вдоль градиента напора к оси вихря по спиральной траектории в плоскости, перпендикулярной его оси (рис. 3.1.1.). Выпадающая из одного вихря частица подхватывается другим, что обеспечивает ее перемещение потоком.

Жуковский подчеркивает тот факт, что почвенная частица поддерживается в воздухе именно вихрями, путем использования термина «подвешенная частица», который, по-видимому, происходит от «подвешенная вихрем частица» или «подвешенная к вихрю частица». Термин, введенный классиком, точнее отражает динамическую суть явления, чем распространенный сейчас термин «взвешенная в воздухе частица», который ассоциируется со статикой.

Однако вихрь, имеющий горизонтальную ось вращения, не может захватить частицу с земной поверхности, так как он вынужден касаться почвы своей боковой поверхностью, а это приводит к разрушению всего вихря. В то же время многие экспериментальные факты, в частности результаты наблюдения над торнадо (тромбами), смерчами и пыльными вихрями, а также изображения частиц почвы в воздушном потоке, полученные с использованием специальной кино — и фотосъемки [90, 131, 219] (рис. 3.1.2.), указывают на то, что отрыв частицы от поверхности связан с прохождением вихря.

Действительно, взлетающие частицы на рис. 3.1.2 выглядят так, как они должны были бы выглядеть, поднимаясь внутри вихря, имеющего направленную под достаточно большим углом к поверхности ось, и вращаясь при этом в плоскости, перпендикулярной к ней. Легко представить, что в проекции на плоскость, перпендикулярную оси подобного вихря, траектории частиц на рис. 3.1.2 качественно соответствуют картине, полученной Жуковским для плоского вихря (рис. 3.1.1). В таком случае траектория частицы после отрыва должна зависеть от размера и силы оторвавшего и бросившего ее в поток вихря. А сила эта может быть достаточно большой, о чем свидетельствуют измеренные скорости вращения частиц в потоке, достигающие сотен и тысяч оборотов в секунду [90, 197, 213].

Первые экспериментальные свидетельства справедливости вихревой теории отрыва частиц, по свидетельству Трескинского [181], получены еще в 1929 г. Скворцовым с соавторами [173, 174], которые методом наблюдения с использованием пушинки в качестве флюгера и термопары в качества датчика скорости установили, что мелкие пылинки, лежащие на поверхности почвенных частиц, не могут быть сдуты горизонтальной струей, но «…могут быть сдуты, только если воздух нижних ярусов пробивается отсасывающим частицу вихорьком». Они не только объявили механизм отрыва — отсасывание частицы вихорьком — но и определили экспериментально среднюю продолжительность существования этих вихорьков в слое 3-3000 мм, которая составляла 0,64-0,86 с, иногда затягиваясь до 5,26 с.

Ещё одним свидетельством в пользу отрыва частиц вихрями служит экспериментально установленный факт колебания частицы перед отрывом от поверхности с частотой, близкой к частоте наиболее сильных пульсаций скорости ветра. Так, средняя частота колебаний почвенных частиц непосредственно перед отрывом от поверхности в лабораторной аэродинамической трубе составляла 1,8 Гц, а частота наиболее сильных пульсаций продольной составляющей скорости составляла 2,3 Гц [288]. Частота пульсаций скорости определяется частотой прохождения вихрей, что подтверждает связь между колебаниями частицы и прохождением вихрей, самые сильные из которых отклоняют частицу от положения равновесия или даже отрывают ее от поверхности. Отставание частоты колебаний частицы от частоты пульсаций вполне обоснованно объясняется [288] гигантской, в три порядка, разницей между плотностью воздуха и плотностью почвы.

Вихри обладают колоссальной энергией, пропорциональной их размерам. Огромная разрушительная сила ураганов, смерчей и тромбов, а также их способность поднимать и переносить не только разнообразные природные образования, но и конструкции, включая железнодорожные вагоны и металлические мосты, проиллюстрирована на большом экспериментальном материале в классической монографии [131]. В ряде работ исследованы механизмы возникновения и существования менее крупных образований — пыльных вихрей [221, 268, 287]. Подобный макровихрь, соприкасаясь торцом с поверхностью, производит работу, вгрызаясь в почву наподобие фрезы и порождая при этом «стружку» в виде почвенных частиц, которые втягиваются по спирали в тело вихря. При «чрезмерном» погружении в почву вихрь может частично разрушаться с торца, контактирующего с почвой. На это указывает возникновение «каскада», т. е. облака пыли, расходящегося в стороны от оси вихря (рис. 2.1.4).

Такие макровихри с вертикальной осью, движущиеся сравнительно самостоятельно в относительно спокойном окружающем воздухе, возникают достаточно редко, тогда как основная «работа» ветровой эрозии почвы приходится на турбулентные потоки, именуемые ветром. В структурном отношении ветер представляет собой поток вихрей разнообразных размеров и формы, которые непрерывно распадаются и формируются вновь [131, 195]. Среди них, очевидно, присутствуют и вихри с вертикальной осью. Основываясь на материалах обзора литературы можно предположить, что те из них, которые торцом опираются о поверхность, способны отрывать и бросать почвенные частицы в поток, где они могут быть подхвачены другими вихрями. Будем считать, что эродирующая сила ветра определяется действием именно таких вихрей.

Данное утверждение находится в согласии с качественными выводами из наблюдений в природных условиях [170, 174] и с теорией Жуковского [79], а предложенный механизм подъемной силы позволяет объяснить ряд удивительных природных и экспериментальных явлений, не имевших удовлетворительного объяснения. К ним относится выдувание мелких частиц из-под сплошного слоя неподвижных крупных, установленное опытами Долгилевича и Васильева в аэродинамической трубе [70]; выдувание почвенных частиц из узких глубоких щелей, ориентированных поперек ветра, установленное опытами Миллионщикова [14], а также совместный перенос песчинок с восьмикратным превышением массы на расстояния в десятки и сотни километров, установленный наблюдениями Сидоренко [171].

Не вдаваясь в детали взаимодействия индивидуального вихря с почвой, при количественном описании подъемной силы воспользуемся тем обстоятельством, что средняя плотность кинетической энергии вихрей, в том числе наиболее энергоемких, способных отрывать и переносить почвенные частицы, в конечном счете определяется плотностью кинетической энергии среднего движения, породившего вихрь, которое, в свою очередь, однозначно определяется средней скоростью ветра выше слоя шероховатости. Поэтому подъемную силу вихря, приложенную к усредненной индивидуальной почвенной частице, вслед за Жуковским [79] будем связывать с избыточным давлением, создающимся вблизи оси вихря, которое, в свою очередь, будем связывать с квадратом средней скорости воздушного потока U.

Возможность использования средней скорости потока в качестве характеристики его структуры основана на существовании закономерной связи между средней и пульсационной скоростями, последняя же своим возникновением обязана прохождению вихрей [74].

Определяемая таким образом подъемная сила не связана с наличием или отсутствием в потоке частиц; она присуща потоку в силу его вихревой структуры.

Метки: