第1章 概论 1
1.1 国内外研究现状 3
1.1.1 土壤风蚀监测及网络监测研究现状 3
1.1.2 风速传感器研究现状 4
1.1.3 风速廓线仪研究现状 6
1.1.4 集沙仪研究现状 8
1.2 存在的主要问题 13
第2章 流体与土壤风蚀 20
2.1 研究流体运动的方法 20
2.1.1 拉格朗日法 20
2.1.2 欧拉法 21
2.2 流量和平均速度 23
2.3 连续性方程 24
2.3.1 一维流体的连续性方程 24
2.3.2 二维、三维流体的连续性方程 25
2.4 相似原理 26
2.4.1 相似物理现象 26
2.4.2 相似定理 28
2.5 气固两相流 30
2.5.1 气固两相流测量的影响因素 31
2.5.2 气固两相流测量方法 32
2.6 土壤风蚀 35
2.6.1 土壤风蚀颗粒的输送形式 35
2.6.2 土壤风蚀研究的基本方法 37
2.6.3 土壤颗粒起动条件与运动方程 39
2.6.4 常用风蚀颗粒测速方法 40
第3章 气流对冲与扩容降速 46
3.1 分流对冲对气流降速的影响 46
3.1.1 入口气流的流动状态及边界条件 46
3.1.2 圆柱绕流现象 47
3.1.3 分流对冲降速原理 48
3.1.4 分流结构对绕流的影响 48
3.1.5 锥形壁面结构对下行气流的回流影响 49
3.2 分流对冲式风沙分离器设计 50
3.2.1 进气管 51
3.2.2 分离腔与回流腔 51
3.2.3 楔形体 51
3.2.4 排气管 51
3.3 分流对冲降速的可行性 51
3.3.1 数值模拟 51
3.3.2 烟流试验 57
3.3.3 气流降速及集沙性能试验 60
3.4 风沙分离器改进模型 68
3.4.1 管道内气流的能量损失理论 68
3.4.2 扩容对气流降速的影响 71
3.4.3 分流对冲与扩容组合降速的风沙分离器改进模型设计 78
3.4.4 分流对冲与多级扩容组合降速分析 89
第4章 气流降速与内流场特性 98
4.1 气流降速与速度场的关系 98
4.1.1 流体的流动 98
4.1.2 二次流动 99
4.1.3 排沙口气流速度无法降到更低的原因分析 100
4.1.4 二次流对流场的影响 102
4.1.5 排沙口气流降速分析 104
4.2 气流降速与压力场的关系 105
4.3 气流降速与湍动能场的关系 107
4.3.1 湍流脉动 107
4.3.2 湍动能场对气流降速的影响 108
4.4 内流场试验 110
4.4.1 试验条件 110
4.4.2 试验方法 111
4.4.3 试验结果及分析 114
第5章 气固分离与内流场特性的关系 127
5.1 气固两相流模型 127
5.2 气固两相流场特性分析 128
5.2.1 气固两相悬浮系统 128
5.2.2 稠相流场特性分析 129
5.2.3 稀相流场的固相运动轨迹 131
5.3 气固分离的微型风洞试验 136
5.3.1 试验条件 136
5.3.2 试验方法 137
5.3.3 试验结果及分析 139
第6章 分流对冲式多通道无线集沙仪 148
6.1 分流对冲与多级扩容风沙分离器设计 148
6.1.1 扩散型进气管设计 149
6.1.2 建立分流对冲扩容降速结构模型 150
6.1.3 分离器降速作用仿真分析 151
6.2 集沙单元设计 152
6.3 初期集沙仪结构设计 154
6.3.1 集沙仪支架结构设计 154
6.3.2 集沙仪导向装置设计 156
6.3.3 集沙仪外壳结构设计 158
6.4 分流对冲与多级扩容组合集沙仪优化设计 159
6.4.1 风沙分离器设计方案 159
6.4.2 风沙分离器速度场数值模拟对比 160
6.4.3 集沙单元优化设计 161
6.4.4 集沙仪外壳优化设计 162
6.4.5 集沙仪支架优化设计 163
6.4.6 集沙仪旋转装置优化设计 164
6.5 集沙仪数据采集处理系统 164
6.5.1 传感器信号调理电路设计 164
6.5.2 低成本无线数据采集器设计 165
6.5.3 称重系统数据处理算法 167
6.6 集沙仪性能测试 168
6.6.1 称重传感器标定及线性度测试 168
6.6.2 传感器的精度及稳定性测试 171
6.6.3 分离器降速效果测试 172
6.6.4 集沙仪等动力性试验 173
6.6.5 集沙仪集沙效率试验 175
第7章 热敏式多通道风速廓线仪 181
7.1 热敏式低功耗风速传感器 181
7.1.1 热敏式风速传感器测量原理 181
7.1.2 传感器敏感元件选择 183
7.1.3 传感器探头设计 184
7.1.4 电路设计原理 185
7.1.5 硬件温度补偿分析 187
7.1.6 传感器电路分析 189
7.1.7 输出电压与风速的函数关系 191
7.1.8 传感器输入输出特性 192
7.1.9 传感器性能参数实验分析 193
7.1.10 风速传感器标定 196
7.2 热敏式风速廓线仪研制 198
7.2.1 风速廓线仪整体结构 199
7.2.2 风速廓线仪外壳Gambit建模 200
7.2.3 风速廓线仪外壳Fluent仿真 201
7.2.4 风速廓线仪自动旋转机构设计 208
7.3 风速廓线仪数据采集处理系统 210
7.3.1 低成本无线数据采集器设计 210
7.3.2 数据同步采集处理算法 212
7.4 风速廓线仪性能测试 212
7.4.1 风速传感器温度补偿测试 212
7.4.2 风速廓线仪标定 214
7.4.3 风速廓线仪野外试验验证 216
第8章 土壤风蚀监测系统的构建 223
8.1 风蚀监测系统的组成及工作原理 223
8.2 风蚀监测系统的特点、网络拓扑结构和全覆盖策略 225
8.3 低功耗无线数据采集节点设计 227
8.3.1 无线传输模块及数据处理单元 227
8.3.2 低成本数据采集节点设计 228
8.3.3 独立数据处理机制 231
8.3.4 应用层低功耗数据访问策略 232
8.4 无线数据通信机制 235
8.5 自组网通信协议 238
8.5.1 自组网通信基础 238
8.5.2 自组网指令系统 238
8.5.3 自组网协议的实现 240
8.6 GPRS数据通信链路构建 242
8.6.1 GPRS无线网络结构 242
8.6.2 参数配置及实验测试 243
第9章 土壤风蚀监测系统数据处理软件设计 248
9.1 软件结构设计 248
9.2 服务器数据访问软件 248
9.3 客户端数据处理软件设计 251
9.3.1 软件人机交互界面设计 251
9.3.2 软件程序设计 253
第10章 土壤风蚀监测系统性能验证 260
10.1 无线传输性能测试 260
10.1.1 无线传输距离测试 260
10.1.2 采集节点续航能力测试 262
10.2 风蚀监测系统测试 263
10.2.1 局域网组网采集测试 263
10.2.2 互联网组网采集测试 264
10.3 野外实验及数据分析 265
10.3.1 试验区域概况及实验方法 265
10.3.2 不同植被覆盖度的草原地表测试 266
10.3.3 不同工程尺度的带状保护地表测试 268
10.3.4 传统秋翻耕农田地表综合测试 271
附录 275
附录1 无线风速廓线仪程序设计 275
附录2 多通道无线集沙仪程序设计 301