一种基于湍流的防风固沙方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于防风固沙的湍流发生方法及装置，其方法为当活动沙丘表面起风时，通过增加沙丘表面的空气湍流，以及摩擦提高沙丘表面的粗糙度，抑制沙粒的扬起和定向迁移，使之转为沙粒的无序运动，从而达到防风治沙的效果。其装置包括：带状旗，固定杆和支撑杆；带状旗，为柔性材质，随风抖动产生湍流并与沙丘接触增加表面粗糙度；固定杆固定带状旗，其与支撑杆连接；支撑杆底部为锥尖状，下部插入沙丘之中，起到固定支撑作用。本发明的湍流发生装置利用治风来治沙，其体积小，可以根据需要制作成所需尺寸的大小和形状，可插拔二次利用，便于人工和机械化操作。
【专利说明】
一种基于湍流的防风固沙方法及装置
技术领域
[0001]本发明涉及防风固沙领域，具体说涉及一种设置在流动沙丘上的具有稳定流沙表面和阻滞过境风沙流的防风障碍物，通过增加迎风湍流和沙丘表面接触摩擦增加粗糙度来抑制沙漠流动的防风固沙装置。
【背景技术】
[0002]目前治理非流动沙漠主要用种植草和植树造林的办法来解决，可是对于流动沙漠来说，一望无际的沙漠和及其恶劣的生态环境，使树木根本无法存活，几千年来人类对其则无能为力。在自然环境条件比较恶劣的荒漠化地区，限制沙漠化地区沙生植物的成活率与正常的生长发育演替的主要因素还是风蚀沙埋，其在很大程度上阻碍着解决荒漠化发展的进程，目前仍然采用土工方格或草栅格拦截固沙方法。
[0003]这种沙丘表面拦截固沙的作业方式简单易行，在上世纪60年代至今一直采用该种方法。当前时期，人力成本的上升促使林业部门投入治沙的资金日趋紧张，而对于治沙成效的迫切需求使这个矛盾日益尖锐。人力铺设草方格所存在的关键问题还在于，草沙障的作用效果针对性不强，结果将导致材料的浪费和沙障结构的退化，施工时间和施工质量无法有效保障，使国家投入大量的工程资金，其所产生的经济效益和生态效益的目标无法实现。
[0004]当前，随着科学技术与材料科学的不断发展，不端涌现出大量新型治沙材料，如土壤凝结剂和复膜沙袋与尼龙网等这些材料所制成的沙障在实际应用中均对环境造成不同程度的二次污染，因材料容易老化和本身成本较高以及失去防护功能以后的残余碎片等所致。这些都成为限制应用发展的主要因素。
[0005]柴草沙障不仅表现出的固沙能力相对较弱，而且障体极易遭到风沙吹蚀和填埋，最终导致破损而失去防护作用，此类沙障需要定期进行人工维护与更新，无形之中增加了成本；尼龙方格沙障易沙埋且运费高，综合效益差。
[0006]综上所述可知，现阶段采用的治沙方法都是通过改变沙地下垫面的基本性质，从而增加沙丘表面的粗糙程度，最终使得沙粒迀移速度降低，达到防风治沙的效果，但由于沙障直接放在沙中，容易被风沙填埋，失去固沙效果。
[0007]因此，寻找一种不容易被风沙填埋并且固沙效果好，同时铺设时操作简单易行，材料价钱低廉与原材料容易取得的新型可长期使用的材料，已经成为当前防风固沙的主要问题。本发明就是试图研究一种不会被风沙掩埋可以长期利用的防风固沙的方法及装置。
【发明内容】
[0008]针对现有技术方法直接固定沙丘表面导致长期容易被风沙填埋的问题，本发明提供一种可以长期使用，不受沙埋影响，同时铺设简单，材料价格低廉可以自适应风沙环境，从而长期有效固沙的方法和装置。本发明的方法及装置其核心是基于利用风力增加沙丘表面空气湍流和表面粗糙度来抑制风沙移动扬起的目的。该装置是一种支撑在沙丘表面增加风力湍流的带状旗。
[0009]在沙漠中一座座沙丘高低起伏，当风从沙丘之前穿过时，由于沙丘表面的迎风坡的凸起和沙丘表面的透气性，使得相对于沙丘两侧而言，风对沙丘表面沙粒除了吹动作用，同时还产生斜向上的升力作用，这也是迎风坡沙丘表面沙粒能够被风吹动成带状快速跃动迀移，并翻过坡头到达背风坡沉降。
[0010]因此，沙漠化风沙迀移的关键因素是沙粒本身被风力定向迀移运动，从而导致沙丘的移动。本发明的固沙技术就是使得沙丘表面的稳定气流受扰动，附面层发生空气流动分离形成湍流祸旋，由于空气的湍流运动作用，从而降低了表面的风速或改变了速度方向，使重力与升力、惯性力等作用合力方向朝向沙面，沙粒速度方向改向地面，堆积回地面从而抑制沙丘的迀移。
[0011]针对以上技术目标，本方面的防风固沙的湍流发生装置包括带状随风飘动的带状或旗状柔性材料，带状旗本身固定在固定杆或旗杆上，固定杆插入沙丘中固定。湍流发生装置的目的是通过带状旗在风的抖动过程中增加风的湍流效果，使得风沙本身原本有序的风力跃动迀移变得紊乱，降低表面风沙的整体迀移运动效果。同时，由于风的抖动，固定杆上的带状旗与沙丘表面摩擦抖动，增加起风时沙丘表面的粗糙度。从而提高沙丘表面的固沙效果。
[0012]根据本发明的湍流发生装置，其带状旗根据常年风力和固沙装置在迎风坡的不同位置采用的带状旗的长度也不相同。其尺寸长度为其在固定杆上距离地面高度的0.5?5倍，宽度为其距离地面高度0.1?2倍。
[0013]根据本发明的湍流发生装置，其带状旗的材质可以选用多种柔性材料，其包括:尼龙、涤纶、芳纶，腈纶、丝绸、纯棉、亚麻、皮毛等各种化纤或天然纤维类柔性材料；旗材料表面可以是无纺布，针织布，植绒布、绒面布，丝光布，条纹布等各种类型。
[0014]优选地，本发明的上述湍流发生装置，在所述带状旗表面上涂布或热压印有橡胶，树脂，沥青等材质的点状，线状，圆锥状，立方锥，三角锥状突起，增强带状旗的湍流发生效果和抵抗风蚀沙粒的磨损程度。
[0015]根据本发明的湍流发生装置，其带状旗的形状可以选用多种形式，其包括长条形，矩形，菱形，三角形，椭圆形，锯齿形，波浪形，花边形等形状。
[0016]根据本发明的湍流发生装置，其带状旗的固定杆材质可以是塑料，橡胶，玻璃，木材，竹子，陶瓷，水泥以及钢筋，铜，铝，铁，钛等各种金属材质及其合金，固定杆的形状包括十字架型，十字花型，干字型，门框型，丁字形，V型和I型，Y型等各种形状。固定杆下部为支撑杆，所述支撑杆的底部为锥形，锥角为30?75°，利于插入固定于沙丘之中，支撑杆高度与带状旗长度之比为1:1?3: 1，具体根据当地常年风力大小和沙丘坡度确定。
[0017]根据本发明的湍流发生装置，其带状旗在固定杆上的固定形式包括:线缆，铁丝，钢丝，绳索等方式绑定在固定杆上，也可以通过直接扣压，粘接，胶连，缝合，锚固等方式固定在固定杆上，并可以彼此串联或并联方式组合。
[0018]根据本发明的湍流发生装置，其带状旗与固定杆的形状选择应该根据沙漠地貌类型和地形起伏波动而因地制宜，依据沙害程度的不同设置不同类型与规格的湍流发生装置。湍流发生装置彼此之间不相互干扰，从而在沙丘表面形成防风固沙阵列，其阵列形式包括圆形，方形，矩形，三角形，菱形，田字形，米字形等。
[0019]根据本发明的湍流发生装置，在地形相对比较平缓且沙丘高度不大的地段，如迎风坡之前的平缓开阔沙地，带状旗离地高度应该在0.2?1.5m固定，带状旗间距应为
0.5m?5m ;随着风沙侵害沙丘本身，迎风坡部位适合于0.2m?2m的立地高度，带状旗间距应为0.5m?2m规格布设；在背风部位带状旗高度应该在0.5m?1.5m，布设规格适合于
0.5m?5m ;在地形变化复杂，受到风沙侵害较为严重的地段，需要布设操作较为容易的草方格或复膜沙袋阻沙体活动沙障结合使用，来加强前沿阻沙力度。
[0020]本发明方法和装置的创新性是利用流体的粘性特性，将沙丘表面的惯性剪切方向的动能转换为涡流的环量动能，依靠带状旗产生的不稳定湍流和不确定风向减弱了沙丘迎风坡表面的主导风向的惯性剪切作用，减少了沙粒朝着主导风向迀移的速度，从而达到防风固沙的效果。
[0021]在本发明的上述湍流发生装置中，还可以通过带状旗与沙丘表面的摩擦作用，从而增加沙丘表面的粗糙度来提高防风固沙的效果。所述摩擦过程中产生的摩擦阻力和空气湍流动力共同作用，使得沙丘表面沙粒风起运动减弱。
[0022]根据本发明的湍流发生装置，其与现有固沙装置和技术有显著的区别。
[0023]1.随风启动，具有自适应性。现有技术主要是针对沙丘表面进行处理，使得其在沙地表面形成一层有一定强度的防护壳。这种方法收效快但成本过高，不能大面积使用。同时由于受沙漠西北地区昼夜季节温差大，白天日照强烈，在不起风沙的时候仍被侵蚀风化，物理风化和变性老化严重，本发明的湍流发生器，通过风力驱动工作，对风沙运动具有自适应性，无风条件下下垂收缩。
[0024]2.通过治风来治沙，不破坏生态环境。现有技术如表面脆性封盖(如水泥混凝土等)和塑性封盖(沥青，高聚塑胶膜等)技术，且对沙地永久性破坏地表的生态环境，所消耗材料不能二次利用。本发明的湍流发生器，通过对风空气流的扰乱和增加风向无序性来抑制沙粒的扬起和定向迀移，并不直接固定沙粒本身。
[0025]3.高度可调，重复利用，材料成本低廉。现有技术在沙丘表面形成沙障之后一般很难再次使用。同时沙障本身在构筑时高度就已经确定，无法调节适应现实风沙复杂多变的条件。本发明的装置固定杆插入沙丘的深度可以调节，在完成初期固沙并有植物生长之后，可以拔出安装在其他沙漠化地带。因此，本发明的湍流发生装置，高度可调，并可以重复利用，如果在通过机械化设备布设可以大幅度节省防风固沙的成本。
【附图说明】
[0026]图1示出了根据本发明的第一实施方式的湍流发生装置的结构示意图；
[0027]图2示出了根据本发明的第二实施方式的湍流发生装置的结构示意图；
[0028]图3示出了根据本发明的第三实施方式的湍流发生装置的结构示意图；
[0029]图4示出了风力导致沙丘表面沙粒受到承托力和推动力的原理示意图；
[0030]图5示出了根据本发明的湍流治风对沙丘治沙固沙的原理示意图；
[0031]图6示出了根据本发明的第一实施方式的湍流发生装置的布置示意图；
[0032]图7示出了根据本发明的第二实施方式的湍流发生装置的布置示意图；
[0033]图8示出了根据本发明的第三实施方式的湍流发生装置的布置示意图；
[0034]图中示例，1-固定杆，2-带状旗，3-支撑杆。
【具体实施方式】
[0035]为充分了解本发明的发明目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明，但本发明并不仅仅限于此。
[0036]本发明是利用柔性材料在气流中抖动增加空气湍流，从而抑制风力对沙粒的扬起和跃动而研制的。所述风力对沙粒的扬起和跃动，是指气流在交错起伏的沙丘中流动中，由于沙丘表面的迎风坡凸起，类似于飞机机翼受到的伯努利效应，沙丘表面沙粒在受到沿沙丘表面向前的吹动力之外，还受到向上的升力，如图4所示，这也是风吹动活动沙丘表面出现沙粒快速移动的现象。根据气流在沙丘表面层流的增强沙粒迀移的效应，当大幅度增加沙丘表面气流的湍流时，会大大降低迎风坡表面沙粒受到的定向有序的风推力和升力，使得沙丘体在沿一定方向上受到外力的作用变得分散而不确定时，其沙粒迀移会产生混沌无序现象。因此当风将沙丘表面的湍流发生装置吹起抖动时产生的湍流可以有效的抑制沙粒的迀移。湍流发生装置的带状旗振荡时，仿佛一个活塞，其风力越大频率越高，这样就可以把风能扬沙能量转化为沙粒振动的耗散能量，若这种能量沿沙丘表面传播出去，就形成湍流层，如图5所示，使得整个沙丘迀移得到抑制，从而达到防风固沙的效果。
[0037]可选地，在本发明的上述湍流发生装置中，还可以增加带状旗与沙丘表面的摩擦作用，从而增加沙丘表面的粗糙度来提高防风固沙的效果。所述摩擦过程中产生的摩擦阻力，静电吸附力和空气湍流动力一起作用于沙丘的扬起抑制和沙丘表面沙粒风起运动的减弱。
[0038]具体实施例一
[0039]根据上述原理研制的本发明的湍流发生装置如图1所示，包括:带状旗、固定杆和支撑杆。其中，带状旗为在风力吹动下抖动导致层流气流变成湍流的主要发生装置，所述带状旗为涤纶材质，表面通过热压印直径为5mm的橡胶斑点，从而增大风沙湍流和耐摩擦性能；带状旗本身通过强力胶粘缝合固定在固定杆上，带状旗为长条形，其长度为60cm，宽度为 40cm。
[0040]所述固定杆为木质横杆，宽度为40cm，直径2cm，主要用于固定展开带状旗，其可以为木质或竹质材质，也可以使用金属材质。固定杆固定于支撑杆上，使之与支撑组成T字型结构，所述支撑杆长度为100cm，支撑杆底部5cm为锥形，锥角为60°，利于插入固定于沙丘之中，在沙丘底部支撑杆插入沙丘的深度为40cm，支撑杆高度与带状旗长度之比为5: 3。在沙丘中部支撑杆插入沙丘的深度为50cm，支撑杆出露高度与带状旗长度之比为5: 6。在沙丘上部支撑杆插入沙丘的深度为60cm，支撑杆出露高度与带状旗长度之比为2: 3。湍流发生装置在沙丘上布置呈现菱形布局，装置个体之间横向间距是0.5m，纵向间距是lm，布局如图6所示。
[0041]在风速大于5m/s时，湍流发生装置的带状旗张开抖动，风速在大于7.2m/s时沙粒开始无序运动。而相比对照沙丘，没有湍流发生装置的沙丘在风速4.5m/s时小颗粒跃移，在风速为7.2m/s时沙粒开始大量规律迀移。
[0042]具体实施例二
[0043]下面结合图2详细说明根据本发明的第二实施方式的防风固沙湍流发生装置的制造方法，具体的包括如下步骤:
[0044]1.制作带状旗，所述带状旗为亚麻纤维材质，表面通过热压印宽度和间隙均为2mm的树脂胶条，从而增大风沙湍流和耐摩擦性能；带状旗本身通过牛筋线缝合固定在固定杆上，带状旗分为两部分，水平状的带状旗长度为80cm，宽度为50cm，竖直带状旗长度为90cm，宽度为30cm，带状旗边缘为波浪形。
[0045]所述固定杆为聚乙稀塑料管，横向固定杆宽度为50cm，直径3cm，纵向固定杆宽度为30cm，直径3cm，上面有间距为2cm的穿眼孔，主要用于缝合固定展开带状旗。固定杆固定于支撑杆上，支撑杆本身也为塑料管状结构，所述固定杆与支撑杆之间是通过热塑性融合粘接的。使固定杆与支撑杆组成十字架型结构，所述支撑杆长度为160cm，支撑杆底部7cm为锥形，为铁皮材质，锥角为45°，在沙丘底部支撑杆插入沙丘的深度为100cm，支撑杆出露高度与带状旗长度之比为3: 4。在沙丘中部支撑杆插入沙丘的深度为110cm，支撑杆出露高度与带状旗长度之比为5: 8。在沙丘上部支撑杆插入沙丘的深度为120cm，支撑杆出露高度与带状旗长度之比为1: 2。湍流发生装置在沙丘上布置布局如图8所示，呈现正反三角形交错形布局形式，装置个体之间横向间距是0.6m，纵向间距是1.2m。
[0046]在风速大于5.5m/s时，湍流发生装置的带状旗张开抖动，风速在大于8m/s时沙粒开始无序运动。而相比对照沙丘，没有湍流发生装置的沙丘在风速5m/s时小颗粒跃移，在风速为7.2m/s时沙粒开始大量规律迀移。
[0047]具体实施例三
[0048]根据本发明的第三实施方式制作的防风固沙湍流发生装置与前两实施例类似，如图3所示:所述带状旗为尼龙材质，表面通过热压印边长为5mm的尼龙立方锥；带状旗分为两个相同的部分，带状旗长度为70cm，宽度为25cm。
[0049]固定杆为空心不锈钢管材质2根，其长度为30cm，直径4cm，其中间留有与带状旗本身宽度相等的缝隙，带状旗通过穿过缝后热塑性固定在固定杆上，支撑杆本身也为不锈钢管结构，支撑杆的直径为5cm，所述固定杆与支撑杆之间是通过套管卡套和螺栓固定的。使固定杆与支撑杆组成十字架型结构，所述支撑杆长度为140cm，支撑杆底部6cm为锥形，锥角为75°，在沙丘底部支撑杆插入沙丘的深度为90cm，支撑杆出露高度与带状旗长度之比为5: 7。在沙丘中部支撑杆插入沙丘的深度为100cm，支撑杆出露高度与带状旗长度之比为4: 7。在沙丘上部支撑杆插入沙丘的深度为110cm，支撑杆出露高度与带状旗长度之比为3: 7。湍流发生装置在沙丘上布置布局如图8所示，呈现田字形布局形式，装置个体之间横向间距是lm，纵向间距是2m。
[0050]在风速大于5m/s时，湍流发生装置的带状旗张开抖动，风速在大于7.5m/s时沙粒开始无序运动。而相比对照沙丘，没有湍流发生装置的沙丘在风速4m/s时小颗粒跃移，在风速为7m/s时沙粒开始大量规律迀移。
[0051]尽管已经结合特定的实施例描述了本发明，但是并不是限定于此处描述的特定形式。而是，本发明的范围仅仅由后附的权利要求限制。在权利要求中，术语“包括，，不排除存在其它部件或步骤。此外，尽管各个特征可以包括在不同的权利要求中，但是这些特征可以被有利地组合，且在不同权利要求中包含的内容不意味着特征的组合是不可行和/或不利的。此外，单个的含义不排除多个。此外，权利要求中的附图标记不应被解释为对范围的限制。
[0052]以上所述仅是本发明的【具体实施方式】，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明精神的前提下，可以作出若干改进、修改、和变形，这些改进、修改、和变形都应视为落在本申请的保护范围内。
【主权项】
1.一种用于沙漠治理防风固沙的湍流发生方法及装置，其方法为通过湍流发生装置在气流中抖动增加空气瑞流，从而抑制风力对沙粒的扬起和跃动，使得沙丘表面沙粒在沿一定方向上受到风力的作用变得分散，其沙粒迀移会产生混沌无序。2.根据权利要求1所述的湍流发生方法及装置，其方法特征还包括:湍流发生装置通过与沙丘表面的摩擦作用，从而增加沙丘表面的粗糙度来提高防风固沙的效果，所述摩擦过程中产生的摩擦阻力和空气湍流动力共同作用，使得沙丘表面沙粒风起运动减弱。3.根据权利要求1-2所述的湍流发生装置，包括以下部分组成: 带状旗；具有一定韧性的柔性材料，可以随风抖动，从而在平行于沙丘表面方向产生气动湍流，因此当风将沙丘表面的湍流发生装置吹起抖动时产生的湍流可以有效的抑制沙粒的迀移； 固定杆；具有一定强度，具有多种形式，用于固定和支撑带状旗； 支撑杆:底部为锥形尖端的支撑杆，用于在沙丘中直接插入固定，上部连接固定杆。4.根据权利要求1-3任何一项所述的湍流发生装置，其特征在于带状旗为柔性材质，其厚度为0.1?10mm，其可以选用多种柔性材料，其包括:尼龙、涤给、芳给，腈给、丝绸、纯棉、亚麻、皮毛等各种化纤或天然纤维类柔性材料；旗材料表面可以是无纺布，针织布，植绒布、绒面布，丝光布，条纹布等各种类型。5.根据权利要求1-3任何一项所述的湍流发生装置，其特征还包括:所述带状旗表面上涂布或热压印有橡胶，树脂，沥青等材质的点状，线状，圆锥状，立方锥，三角锥状突起，增强带状旗的湍流发生效果和抵抗风蚀沙粒的磨损程度。6.根据权利要求1-3任何一项所述的湍流发生装置，其特征还包括:湍流发生装置的带状旗形状可以选用长条形，矩形，菱形，三角形，椭圆形，锯齿形，波浪形，花边形等形状，其尺寸长度为其在固定杆上距离地面高度的0.5?5倍，宽度为其距离地面高度0.1?2倍。7.根据权利要求1-3任何一项所述的湍流发生装置，其特征在于湍流装置的固定杆是实心或中空状，材质可以是塑料，橡胶，玻璃，木材，竹子，陶瓷，水泥以及钢筋，铜，招，铁等各种金属材质及其合金，固定杆的形状包括十字架型，十字花型，干字型，门框型，丁字形，V型和I型，Y型等各种形状，固定杆下部为支撑杆，所述支撑杆的底部为锥形，利于插入固定于沙丘之中，锥角为30?75°。8.根据权利要求1-3任何一项所述的湍流发生装置，其特征的湍流发生装置，其带状旗在固定杆上的固定形式包括:线缆，铁丝，钢丝，绳索等方式绑定在固定杆上，也可以通过直接扣压，粘接，胶连，缝合，锚固等方式固定在固定杆上，并可以彼此成串联或并联方式组入口 ο9.根据权利要求1-3任何一项所述的湍流发生装置，其特征在于其可以标准化生产并通过人工或机械化连续插入布设于沙丘上，且插入和固定深度可以通过人工或机械插拔方式调节；湍流发生装置彼此之间不相互干扰，从而形成阵列防风固沙，阵列形状包括圆形，方形，矩形，三角形，菱形，田字形，米字形等。10.根据权利要求1-3任何一项所述的湍流发生装置，其特征在于湍流发生装置在地形相对比较平缓且沙丘高度不大的地段，如迎风坡之前的平缓开阔沙地，带状旗离地高度应该在0.2?1.5m固定，带状旗间距应为0.5m?5m ;随着风沙侵害沙丘本身，迎风坡部位适合于0.2m?2m的立地高度，带状旗间距应为0.5m?2m规格布设；在背风部位带状旗高度应该在0.5m?1.5m，布设规格适合于0.5m?5m。
【文档编号】E02D3/00GK105887793SQ201510001079
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年1月5日
【发明人】李泽唐
【申请人】李泽唐