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日前出版的《物理学报》发表一篇题为《一种风沙运动的颗粒动力学静电起电模型》的论文，这是由西安交通大学和日本理化学研究所联合开展的一项有关我国西部灾害与生态环境研究的新成果。该项研究为进一步研究风沙运动中“风—沙—电”现象的影响提供了一种新的理论基础。
风沙带电是风沙运动与沙尘暴过程中的常见现象，它可以引起干旱、半干旱沙漠地区高压线火花放电，输电网跳闸，通信线路、电子设备遭受干扰，甚至发生设备被击穿和人身伤亡等事故。研究同时表明，“风—沙—电”现象对地球以及其他星球上的风沙运动、沙尘暴和尘卷以及风成地貌的形成都有很重要的影响。因此，对风沙起电现象的起源机理及其影响的研究具有重要的意义。
尽管国内外许多研究者对沙尘暴和尘卷风等进行了大量深入研究，但风沙运动的微观机理研究仍然缺乏。论文作者、西安交通大学人居环境与建筑工程学院教授顾兆林等人，针对沙尘暴、尘卷风为代表的风沙运动研究需要，基于水的电离理论和颗粒动力学理论，从沙粒碰撞摩擦行为出发，研究粒径不同的颗粒系统静电机制。
研究人员提出，颗粒表面覆盖有水分子薄层，颗粒间的碰撞导致能量转移和颗粒温度变化；水电离生成H3O+和OH-离子，当两个温度不同或水分子薄层正（负）离子浓度不同的颗粒接触时，H3O+比OH-以更快地速度从浓度高的地方向浓度低的地方迁移。在动力学的模拟计算中采用0.1mm、0.2mm和0.4mm 3种粒径的沙粒表示沙粒直径分布特性，并根据沙源地采样分析，沙粒的数量选取750粒、100粒和50粒。模拟结果表明：在3种大小的颗粒系统中，不同大小的颗粒平均带电量随时间的变化规律为：大颗粒平均带电量为正、小颗粒平均带电量为负。这一结果解释了风沙电场的产生机制，同时定性解释了颗粒摩擦产生静电需要一定的湿度环境。
“该模型依赖于颗粒表面的水分子薄层，因而颗粒周围的湿度是影响带电行为的重要因素。相对温度对带电量有着很大的影响，相对湿度轻微地增加也可能引起带电量剧烈的变化。但是，当湿度增加到一定值时，颗粒的带电量急剧下降。”顾兆林说。
专家们建议，该颗粒动力学静电起电模型可以进一步与气固两相流模型耦合，提高风沙运动中颗粒行为的模拟精度。 |
