9.4: Засолювання

Last updated
Save as PDF

Page ID: 37076

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Раніше в ході я намагався дати вам якісну картину характеру руху осаду потоками води. Ви дізналися, що осад переміщається водою як навантаження ліжка і як підвішений вантаж. Картина транспортування осаду повітряним транспортом дещо інша. Це в основному тому, що відношення щільності осаду до щільності рідини майже на три порядки більше в повітрі, ніж у воді. Це означає, що після того, як частинка осаду приводиться в рух потоком повітря, частинка має тенденцію слідувати траєкторії, яка значною мірою не залежить від деталей турбулентності в повітрі, через велику відносну інерцію частинки. У воді, з іншого боку, частинки осаду в транспорті, як правило, досить уважно стежать за схемами руху в самій воді.

Сили, які вітер чинить на частинки осаду, що відпочивають на поверхні землі, не сильно відрізняються від тих, що діють проточною водою, і частинки можуть бути приведені в рух як навантаження ліжка або підніматися в суспензію, так само, як у проточній воді. Але частинки розміру піску або більше, які приводяться в рух як навантаження на ліжко, здатні здійснювати набагато сильніші удари з поверхнею осаду через відносно невеликого амортизуючого ефекту рідини. Наслідком є набагато більша важливість балістичних або колізійних ефектів у транспорті еолію. Це проявляється в характерному виді транспорту під назвою засолювання.

Термін засолювання використовується для режиму руху частинок, при якому траєкторії частинок показують зліт з пласта під помірним до крутих кутів і спуск на русло під малими кутами. \(\PageIndex{1}\)На малюнку показана типова траєкторія засолювання, прийнята засолювання піщинки в повітрі. Траєкторії засолювання досить регулярні, і тоді вони показують мало звивистості, яку можна очікувати від проходження через бурхливі вихри. Це пов'язано з типово великим співвідношенням щільності частинок до щільності рідини: частинки мають велику відносну інерцію, і вони можуть майже не впливати через вихри з досить різними місцевими швидкостями рідини.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Типова траєкторія засолювання частинки піску, що рухається вітром.

Засолювання є домінуючим способом руху частинок, коли над піщаною поверхнею дме сильний вітер. За винятком найсильніших вітрів, висота засолювання, досягнута засолюванням зерен, рідко перевищує метр, а довжина засолювання в основному менше декількох метрів. Існує, звичайно, безперервний розподіл висот стрибків і довжини стрибків, від нуля до максимуму. Існує також широка варіативність кутів зльоту: вони варіюються від декількох десятків градусів до вертикальних. Після зіткнення з деякими особливо нерухомими зернами шару, деякі солоні зерна навіть злітають з компонентом вище за течією до їх руху!

Якщо вам пощастило опинитися на сухій піщаній поверхні під час сильного вітру, ризикуйте отримати трохи піску в очі, ніс і рот, і спускайтеся для горизонтального огляду на рівні очей на кілька десятків сантиметрів над поверхнею. Ви б побачили туманний шар солоних зерен, які хвости непомітно вгору. Цей чітко виражений шар солоних зерен називається засолювальним килимом. Якщо ви потім подивилися вниз на поверхню піску, ви побачите велику кількість поверхневих зерен штовхаються і пробіжкою уздовж на короткі відстані, лише один або кілька діаметрів зерна за раз, імовірно, уражаючись солоними зернами. Цей режим руху називається поверхневою повзучістю - але насправді немає різкого розриву між поверхневою повзучістю та засолюванням.

Щоб добре побачити окремі траєкторії засолювання, вам доведеться бути там вночі зі стробоскопом. Найкраще, що потрібно зробити, це світити стробоскопом прямо на ліжку через горизонтальну щілину, орієнтовану паралельно потоку; таким чином ви бачите лише тонкий шматочок соляного килима. Ефект вражає. Ви можете легко зробити те ж саме в саморобній аеродинамічній трубі, яка не повинна 418 бути більшою, ніж розмір стільниці. Найбільш поширений вид аеродинамічної труби для досліджень руху піску (рис. 9-2) складається з воздуховода з розкльошеним входом, який переходить у велику збірну коробку з витяжним вентилятором на іншій стіні. Ви можете почати з піску в повітроводі, а можна засипати його в верхній кінець через щілину в даху воздуховода.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Аеродинамічна труба всмоктуючого типу.

Багато аспектів засолювання недостатньо вивчені. Серед них є механізм, що викликає початковий підйом зерен. Два різні ефекти можуть бути важливими:

Аеродинамічні підйомні сили

Тут не місце обговорювати тонкощі рівняння Бернуллі, яке виражає взаємозв'язок між тиском рідини і швидкістю рідини в будь-якій текучій рідині. Досить сказати, що уздовж будь-якої лінії потоку в потоці існує зворотна залежність між тиском і швидкістю: там, де швидкість висока, тиск має тенденцію бути низьким, а там, де швидкість низька, тиск має тенденцію бути високим. Це те, що змушує літаки літати (рис.\(\PageIndex{3A}\)): форма секції крила така, що повітря рухається на меншу відстань навколо нижньої поверхні крила, ніж навколо верхньої поверхні, тому швидкість нижча, а тиск вище. Ця різниця тисків між нижньою поверхнею і верхньою поверхнею крила називається підйомом. Те ж саме стосується частинки піску, що спирається на поверхню осаду (рис.\(\PageIndex{3B}\)): швидкість відносно низька навколо основи частинки і відносно висока на її вершині, тому існує чиста сила тиску вгору на додаток до опору вітру вітру. Балістичні зіткнення між рухомою частинкою і частинами шару. Коли літаюча частинка впливає на ліжко, вона надає частину свого імпульсу одній або декільком частинкам шару. Одна або кілька частинок шару, ймовірно, тим самим будуть запущені в рух над ліжком. Швидкості та кути зльоту залежать дуже складним чином від локальної геометрії розташування зерен шару, а також від швидкості та місця удару.

Незважаючи на багато досліджень протягом багатьох років, відносна важливість цих двох ефектів - аеродинамічного підйому та зіткнення частинок - все ще суперечлива.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Аеродинамічні підйомні сили. А) На крилі літака. Б) На частку осаду.

Цікавий аеродинамічний аспект засолювання пов'язаний зі швидкістю обертання засолювальних частинок. Ультра-високошвидкісні кінокартини виявили вражаюче високі швидкості віджиму сотень оборотів в секунду. Відчуття спина таке, що верх частинки рухається швидше в нижньому напрямку, ніж нижня частина частинки (рис.\(\PageIndex{4}\)). Походження таких високих показників спина досі залишається загадкою. Але зрозуміло, що прядильний рух породжує незначну додаткову підйомну силу на частку, завдяки тому, що відоме як ефект Магнуса: обертання зерна змінює обтічний візерунок навколо нього таким чином, що замість того, щоб візерунок симетричний щодо зерна, обтічні лінії знаходяться ближче один до одного над зерном, ніж під ним (рис.\(\PageIndex{5}\)). За рівнянням Бернуллі це означає, що тиск рідини на поверхні зерна менше над зерном, ніж нижче, викликаючи чисту силу підйому. Це той самий ефект, який робить для кривих куль, і для тих дратівливих скибочок і гачків.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Відчуття обертання солоної частки.

За винятком найсильніших вітрів, солоні піщинки рідко досягають висоти, більшої, ніж десь між одним і двома метрами. Тож голлівудська концепція піщаної бурі, в якій головний герой виходить зі свого намету в сліпучу, задушливу хмару, все неправильно: в справжній піщаний шторм повітря на рівні очей чітке, але ноги бомбардують мільйони солоних пісочних зерен. Голлівудські піщані бурі - це справді пилові бурі, які можуть трапитися лише там, де є не тільки сильний вітер, але і свіжодоступний поверхневий шар дрібного осаду, як від недавнього потоку води після сильного дощу. Пилові бурі не дуже поширені в пустель, тому що ці свіжі запаси осаду стають доступними для вітру так нечасто.