本发明涉及一种用于大风条件下风沙物质跃移的模拟和观测系统。具体是一种模拟大风条件下，沙粒冲击不同地表或砾石等障碍物后观测沙粒的跃移高度、跃移轨迹和沙量随高度变化的试验和观测装置。
背景技术：
：跃移是风沙物质输移的主要形式，风沙流中70%的沙量以跃移形式输送。传统研究中一般认为沙粒的跃移高度在十几公分以下，主要集中在10公分以下，由此研发的观测设备和开展的观测工作都是针对较低的空间，例如野外观测所用集沙仪高度一般在1m以下；风洞模拟试验中，受洞体尺寸限制，最大模拟高度一般也在1m以下，风沙物质的观测主要在30cm以内。在对风沙活动的动力条件——风力的研究中，一般的风沙风洞可以模拟20-30m/s左右的风速，对更高的风速条件则风机动力和风洞洞体稳定性难以达到试验要求，而在这种风速条件下的风沙活动野外实时观测比较困难。针对某些地区的特殊大风的风沙活动研究，传统的试验和观测设备显得无能为力，这在兰新铁路第二双线工程（兰新高铁）穿越的我国西北戈壁大风区最为明显。例如在著名的百里风区，大风风速可达60m/s以上，可将行进中的列车吹翻造成事故；戈壁本身的风沙流跃移高度远大于流沙地表，该区戈壁风沙流携带的沙物质，可翻越铁路沿线重重的防护设施和铁路路肩3.3m高的挡风墙而沉积在铁轨附近，影响列车安全运营且难以清除。这种戈壁大风条件下的特殊风沙活动，超过了传统风沙科学试验研究的范围，因为如此强劲的风力是各种风沙风洞试验都无法稳定模拟的，且沙粒跃移的高度也远远超过了风洞的高度；而究竟多大风速条件下某种粒径大小的沙粒可以跃移到多大的高度，在野外大风湍流的情况下也难以开展观测，无法将沙粒跃移与风速精确对应。目前国内外尚未开展大风条件下（即远超过传统的20-30m/s风速研究范围）沙粒跃移高度的研究，而这一研究，不仅是目前风沙研究的空白所在，更是兰新高铁和类似广大戈壁地区交通、能源等设施设备风沙防护迫切需要解决的问题，对于调整现有风沙防护策略措施、维持线路正常运营有着重要意义。而开展这一工作，需要能够模拟稳定的大风和风沙流条件，以及能对较高范围内跃移沙粒进行收集的针对性试验和观测设备。技术实现要素：针对目前风沙研究领域对大风条件下跃移沙粒研究试验设备的空白，本发明的目的旨在提供一种高速风沙跃移试验观测系统。利用该系统，可创造稳定的大风条件，模拟高速风沙流冲击不同地表和不同角度、形态的戈壁砾石后的跃移过程，并收集所有高度上的跃移沙粒，获得不同风速、冲击条件下沙粒跃移的精确轨迹。该系统原理直观，操作性强，数据结果可靠，是开展大风条件下风沙跃移研究的针对性设备，对特殊动力和下垫面条件下风沙活动的观测研究有无法替代的作用。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高速风沙跃移试验观测系统，由动力设备、控压调压阀、电磁阀、时控开关、喷沙枪、供沙器、试验台、跃移集沙仪组成。控压调压阀、电磁开关阀、时控开关和供沙器共同固定于工作面板上；动力设备通过软管依次与控压调压阀、电磁阀至喷沙枪连接，时控开关连接电源，并通过导线分别与电源和电磁阀连接，喷沙枪的进沙口连接供沙器，试验台居于跃移集沙器与喷沙枪之间。上述动力设备工作压力范围在8Bar（0.8MPa）以上，调压空压阀工作范围在0-10Bar之间，时控开关的精度为秒，喷沙口可更换以调节喷头内径，集沙盒总体采集高度可通过调整集沙盒的个数而改变。本发明的优点和产生的有益效果是：从试验模拟和观测两方面出发，将本系统的独特性、优点和产生的有益效果概述如下：1、本发明可模拟产生>150m/s的稳定气流和风沙流速度且连续可调，是任何现有风沙研究风洞均无法实现的，由此可实现极端风力条件下风沙物质跃移观测的精确模拟；2、本发明使用控压调阀调节输出气流的压力，从而精确控制试验气流风速，且风速可在瞬间达到所需值，不需要传统风洞中风机的停机和再启动过程；3、本发明使用时控开关和电磁阀实现系统的开闭，所模拟风力的作用时间被精确控制到秒以内尺度，实现风速与跃移观测的准确对应；4、本发明使用的跃移集沙仪专门针对高跃移范围的风沙运动，采集高度可通过增加固定槽和集沙盒个数不断调节采集高度，位置可移动，实现对跃移颗粒的全面观测；5、本发明所涉及的试验动力设备通过软管依次与控压调压阀、电磁阀和喷沙枪连接，观测部分可独立分解，拆装便捷省力，整体系统轻便耐用，便于运输。6、本发明的实际测试工作，证明该系统模拟的风力条件范围广，可满足极端风力情况的研究需求，动力设备提供的风力稳定可靠，测试设备灵活易用，实现了强风力条件、全测试范围、建造精密、轻便易用的设计要求。该系统的研制成功不仅能在流体力学、空气动力学、风沙工程学的研究中有重要作用，而且能够在极端风力作用地区的公路、铁路、能源设施的防沙治沙中得到广泛应用，也为今后沙漠化、沙尘暴等风沙和环境领域试验设备的研发有一定实践意义和理论参考，具有一定的学术价值。附图说明图1为本发明结构示意图。图2为喷沙口15cm处风速稳定性测试结果。图3为喷沙口15cm处标定的风速与压力对应关系。具体实施方式结合附图，对本发明的技术方案做进一步说明：如图1所示，一种高速风沙跃移试验观测系统，由动力设备1、控压调压阀2、电磁阀3、时控开关4、喷沙枪5、供沙器6、试验台7、跃移集沙仪8组成。控压调压阀2、电磁开关阀3、时控开关4、喷沙枪5和供沙器6共同固定于工作面板上；跃移集沙器8由底座、可叠加式固定槽和多个集沙盒组成。动力设备1通过软管依次与控压调压阀（2）、电磁阀（3）至喷沙枪5连接，时控开关4连接电源，并通过导线分别与电源和电磁阀3连接，动力段的动力设备1为有自动加压功能的空气压缩机；控压调压阀2为旋钮式；电磁阀3为常闭式；喷沙枪5可在竖直方向旋转调整喷沙口角度，其供沙口连接供沙器6；试验台7居于跃移集沙器8与喷沙枪5之间。跃移集沙器8高度可调节，位置可移动；喷沙枪5的喷沙口、试验台7的中心和跃移集沙器8的集沙盒中心在同一垂直平面内。上述的动力段动力设备1可为喷沙口提供>150m/s的稳定气流和风沙流速度且连续可调，由此可实现极端风力条件下风沙物质跃移观测的精确模拟。动力段为具备自动加压功能的空气压缩机，工作压力范围在8Bar（0.8MPa）以上，保证运行过程中的压缩气流压力。通过控压调压阀调节动力段的输出气压，调节范围为0至10bar，从而控制出口的风速，实现对风速的控制；使用时控开关4和电磁阀3控制动力段与喷沙段的喷沙枪5的连通，所模拟风力的作用时间被精确控制到秒以内尺度，实现风速、沙量与跃移观测的准确对应；动力段的动力设备1通过内径5mm软管和接头依次与控压调压阀2、电磁阀3至喷沙枪5连接，可实现快速拔插，便于操作安装；试验段时控开关4连接电源，并通过导线分别与电源和电磁阀3连接，测试段的跃移集沙器8底座下端水平、上端呈25°倾角，下方安装4个有锁止功能的万向轮，便于移动方位，单个集沙盒固定槽长度为1m，可叠加，最下方的固定槽垂直焊接在底座上，两个固定槽接头处有15cm重叠区，两侧各用2个顶丝固定；集沙盒使用宽度5cm的标准空心方钢裁制而成，单个集沙盒长度25cm，侧面为向上倾斜25°的菱形，两端高5.5cm，宽5cm，前段进沙口通透，后端下部使用不锈钢焊片封口，上部为200目钢丝网覆盖的透气口，以减少负压，避免跃移沙粒偏离而无法被集沙盒捕获。排列进固定槽后，多个集沙盒进沙口在垂直方向上平行，实现对各高度跃移沙粒的完全收集。实施过程中，首先要进行风速的标定：本发明中，使用毕托管测量喷头15cm处不同压力条件下的风速，根据自由射流的速度计算公式，计算出气流中心线上其它位置处的风速，并计算在各个位置所需某一风速时所需的气流压力值，以供其他试验人员使用。所用的喷口内径为6mm。标定过程中，选用1-4Bar、间隔0.5Bar的压力条件，每次标定持续10秒，每个压力条件重复3次，共7组各30秒的风速数据，检验出口风速的稳定，结果见图2，并获得压力与风速的对应关系（见图3）。由图2可见，不同压力条件下的各组风速结果都是非常稳定的，尤其是各组之内的结果，表明可以实现各种稳定风速的模拟，而且仅在4Bar压力的条件下，已经在距喷口15cm处获得了大于野外极端条件观测的风速值（60m/s），此时距喷口5cm位置中心线的风速为158m/s；压力与风速的良好对应关系在图3得到进一步印证，结果表明，压力与风速的线性对应关系非常好，可由如下关系表达：v=16.34p,R2=0.998(1)其中v为风速m/s，p为压力Bar。因此，完全可以用调节压缩气体压力的方式控制喷口风速。根据标定测试结果，使用圆形射流中心速度公式，即可获得喷口射流中心线其它位置处的风速，进而获得各个位置取得不同风速时所需要的压力见表1。表1获得喷沙口（内径6mm）不同距离特定风速条件所需的压力值表1中，获得不同位置的压力和风速条件，是因为试验所用的下垫面和障碍物形态、尺寸可能存在较大差异，因而需要与喷沙口有不同的距离。射流中心线速度公式为：(2)其中为测试位置或任一位置的风速，为喷口出口处风速，为试验常数0.07，为管口距离，为管口半径。通过调整风速、下垫面、障碍物角度等因素开展对比试验。试验前，将试验台上铺设的下垫面或戈壁砾石等障碍物与跃移集沙器8最下方集沙盒下端调整到同一高度；测量集沙器前端与风沙流冲击接触面的距离；每组试验后，取下全部集沙盒，最上方收集到沙粒的集沙盒所在高度即为该条件下某一距离处沙粒的跃移高度，全部含沙集沙盒的沙量结果为跃移风沙物质的垂直分布；通过移动集沙器的位置并开展重复试验，即可获得跃移物质各高度、距离的完整轨迹。系统各部分均可灵活拆卸，组装简便，一个人即可完成试验和测试的整个过程。当前第1页1 2 3