横向沙丘背风侧沙粒风蚀起动的风洞模拟

通过风洞实验,探讨了横向沙丘背风侧“二次流”的沉积学和形态-动力学意义。在不同迎风坡坡度的横向沙丘模型背风侧,我们观测了不同位置沙粒的起动风速以及在临界状态下沙粒的运动特征。结果表明,沙丘背风侧的颗粒起动风速不仅与其距沙丘顶部的距离有关,也与沙丘迎风坡坡度有密切关系。根据沙丘背风侧颗粒运动特征,可以将其划分为向后运动区域、晃动或摆动区域以及向前运动区域,产生这一现象的原因是在沙丘背风坡气流分离、反向涡和气流重新辐合共同作用的结果。在所有的观测结果中,迎风坡坡度为15°的沙丘具有最大的沙粒起动风速和最远的气流重新辐合距离,其原因尚需进一步研究。     

横向沙丘背风侧气流重附风洞模拟

二次流在沙丘形成和形态维持过程中扮演着重要角色。沙丘迎风坡气流加速和背风侧气流分离是最常见的二次流形式。沙丘背风侧的二次流,尤其是气流分离形成的分离涡和气流重附对沙丘背风坡的塑造、沙丘间距和排列模式都具有重要的控制作用。因此,设计了一系列具有不同迎风坡坡度的横向沙丘模型,采用粒子图像测速技术,通过风洞实验模拟了沙丘背风侧的气流分离和重新附着。实验结果表明,当来流风速垂直于沙丘脊线时,沙丘背风侧的气流重附距离介于4\^8 H~10\^8 H之间(H为沙丘高度),最大重附距离出现在迎风坡坡度为15°的沙丘背风侧;沙丘迎风坡坡度是控制背风侧气流重附距离的主要因素,而自由风速对气流重附距离的控制作用较小。根据实验结果,还讨论了气流分离与重附对沙粒运移和沙丘形态维持的沉积学意义。     

腾格里沙漠东南缘沙丘表面气流与坡面形态的关系

对腾格里沙漠东南缘格状沙丘主、副梁和新月形沙丘断面风速的野外观测结果表明,迎风坡风速放大率、背风坡气流的方向和强度随区域气流、坡面形态而不同。迎风坡风速放大率对沙丘形态的作用在于增加丘顶区域的输沙率和活动性;背风坡气流不仅影响沙丘形态而且控制沙丘动力学过程。在横向气流条件下,风速放大率使沙丘迎风坡随区域气流强度的增加变长变缓,背风坡受分离流控制使沙丘迁移;在双向－斜向气流条件下,沙丘丘顶处于侵蚀亚环境而两坡变陡变短,背风坡受附着偏向流控制使沙丘纵向延伸。     

包兰铁路沙坡头段防护体系前沿栅栏沙丘形态与近地面流场

防护体系前沿阻沙栅栏不仅是维持栅栏沙丘形态、阻挡流沙进入防护带内的重要屏障,还是栅栏沙丘这一独特沙丘类型形成发育的首要条件。形态测定与流场观测表明,在沙坡头铁路防护体系前沿地带,栅栏沙丘迎风坡平均坡度大于天然沙丘,背风坡坡度小于天然沙丘,背风坡水平长度与迎风坡水平长度之比约为0.7,远大于天然沙丘（0.3）。阻沙栅栏显著影响沙丘表面流场,但栅栏缺失或沙埋后栅栏沙丘与天然沙丘表面流场结构具有很大的相似性。沙丘迎风坡剪切风速均沿坡面至丘顶呈先增大、后减小的趋势,但栅栏沙丘迎风坡脚至中上部剪切风速增长速度较快,中上部至丘顶剪切风速迅速降低而且幅度较大,这种变化对栅栏沙丘的成长具有重要意义。     

塔克拉玛干沙漠腹地复合沙垄的流场和上覆沙丘组合及动态特征

复合沙垄是最大的沙丘地貌类型之一，表现为简单沙丘类型的垂直叠加和水平连接，在沙垄的高大地形影响下，沙垄不同部位形成不同的风沙环境特征。以塔克拉玛干沙漠腹地/复合沙垄为例，通过野外实地观测研究其流场和上覆沙丘组合特征。研究结果表明，复合沙垄的流场可分为沙垄迎风坡气流加速区、沙垄背风坡气流转向减速区、垄间粗沙平地气流风速风向恢复区和气流风速稳定区。受沙垄流场和地形的控制，沙垄上覆新月形沙丘链，垄间地分有简单新月形沙丘、沙堆、沙片、侵蚀地、简单线形沙丘。上覆沙丘分布特征表现为：垄间地上覆新月形沙丘疏密度较小，沙垄迎风坡和沙垄背风坡上覆新月形沙丘疏密度较大，而且超过1，说明沙垄迎背风坡上覆沙丘有叠置现象。沙垄上覆沙丘高度自沙垄迎风坡底部到顶部增高，背风坡上覆沙丘高度自沙垄顶部到背风坡底部减小，上覆沙丘在自身形态、地形和流场的共同影响下，存在相对运动，表现为分布进一步集中，因此沙垄有增高的趋势。     

横向沙丘表面气流湍流特征野外观测

沙丘形态动力学特征是风沙地貌的重要研究内容之一,受观测技术等的限制,现有的关于沙丘形态动力学特征的研究成果还不能满足沙丘形成与演化过程研究的需要。利用三维超声风速仪对腾格里沙漠的横向沙丘表面气流特征进行野外观测,结果表明,沙丘脊线和迎风坡中部的气流均为未偏向流,而沙丘背风坡不同高度的气流包括反向流,偏向流和未偏向流。湍流强度、雷诺应力和气流丰富度随气流方向变化而变化,其在沙丘脊线和中部的变化趋势比较简单且有大致相似的规律,而其在沙丘背风坡不同高度比较复杂。     

腾格里沙漠东南缘格状沙丘表面气流及其地貌学意义

对腾格里沙漠东南缘沙丘形态与区域气流的分析表明,格状沙丘发育在双向低风能环境。沙丘表面气流及沉积过程的观测结果,主梁长期处在横向气流环境,其形态主要受背风坡分离气流控制,并以迎风坡侵蚀、背风坡净堆积形式顺主风向迁移。副梁处在双向-斜向气流环境,背风坡的附体偏向气流控制其形态和动力学过程,而且其强度是原始风入射角余弦的对数函数。在斜向风作用下,副梁迎风坡侵蚀的同时,背风坡中下部也发生沙粒的纵向输移且堆积于主梁背风坡,从而导致副梁沿年合成输沙方向延伸。由此认为,格状沙丘的主梁形成于主风-西北风的作用,而副梁是在主梁基础上并在主风和次风-东北风的交替作用下形成的;其形态动力学类型应属纵向沙丘置于横向沙丘之上一种复杂型沙丘。     

反向沙丘近地层气流变化及其对沙丘形态的影响

反向沙丘形态-动力学过程是风沙地貌的重要研究内容。选择腾格里沙漠东南缘推平沙地发育的反向沙丘为研究对象,采用二维超声风速仪对沙丘表面5个位置0.25 m和0.5 m高度的气流进行野外观测。结果表明：（1）气流方向影响近地层气流特征。以沙丘脊线垂线为轴,0.25 m高度处沙丘脊线的垂线两侧风向变化不完全对称。当丘顶气流方向与脊线垂线角度差值为负时,迎风坡底部风速恢复较慢。（2）背风坡气流特征受风向控制。背风坡0.25 m与0.5 m高度气流变化规律相似,在背风坡中部发生偏转,但沙丘顶部气流方向与脊线垂线相差<10°时发生反向偏转。丘顶风向为285°—315°（左偏）时,0.25 m高度的偏转角度大于0.5 m高度的偏转角度。背风坡0.25 m与0.5 m高度处风速表现为脊线垂线两侧风速变化不一致。（3）沙丘表面气流影响沙丘形态。观测期间沙丘脊线发生明显移动,移动值为0.33 m。背风坡发生堆积,最大堆积厚度为0.44 m,迎风坡发生风蚀,最大风蚀深度为0.43 m。该研究结果证实了风在风沙地貌演化中的重要作用,为反向沙丘形态演化数值模拟提供数据支持。     

腾格里沙漠东南缘反向沙丘形态演化过程

沙丘形态演化是风沙地貌研究的重要内容。反向沙丘是指在相反方向风作用下形成的沙丘,有两个落沙坡,分别对应两个风向,在主风向作用下形成横向沙丘,但在相反方向风作用下,沙丘顶部向主风方向移动,从而形成反向沙丘。反向沙丘存在于任何有两个相反方向风的地区。以腾格里沙漠东南缘平坦沙地上发育的反向沙丘为研究对象,2010年对沙丘迎风坡和背风坡不同部位坡度进行1年期野外测量,旨在阐明反向沙丘的形态演化过程。结果表明：反向沙丘形态演化包括3个阶段：横向沙丘—过渡态—反向沙丘,但研究区的沙丘形态演化经历5个阶段：横向沙丘—过渡态—反向沙丘—过渡态—横向沙丘。不同演化阶段的沙丘迎风坡和背风坡角度发生明显变化。该研究结果增加人们对反向沙丘形态演化过程的认识,对区域风沙地貌改造利用提供理论依据。     

新月形沙丘迎风坡气流加速模拟

迎风坡气流加速是决定新月形沙丘发育和形态的动力因子，研究这一加速过程的定量关系有利于认识沙丘的发育、沙丘的形态、沙丘的运动等。通过大量的野外实测数据和前人的理论分析，得出沙丘迎风坡气流加速量主要和沙丘坡度、迎风坡前来流风速以及沙丘高度有关，并建立了新月形沙丘迎风坡气流加速和沙丘形态特征的定量关系。根据这一关系得了在风力较强的风沙环境中，沙丘坡度较小；在风力较弱的风沙环境中，沙丘坡度较陡。地表粗糙度越大，迎风坡坡度越陡。沙丘地貌发育高度存在一上限，这一上限与边界层厚度有关。     

Variations of horizontal and vertical velocities over two-dimensional transverse dunes: A wind tunnel simulation of the effect of windward slope

The changes in wind velocity induced by dune topography have an important significance in dune dynamics. In this paper, the horizontal and vertical velocities over six transverse dune models were measured non-intrusively by means of Particle Image Velocimetry in a wind tunnel. The windward slope angle and the free-stream wind velocity both affected the horizontal and vertical velocity components. On the windward side, the acceleration of horizontal velocity depended mainly on the windward slope angle and the height above the dune surface, but was also affected by the free-stream wind velocity. The speed-up ratio increased with increasing slope angle but decreased with increasing height. The ascending vertical velocities also increased with increasing slope angle and free-stream wind velocity. The maximum values moved upper along the dune when the windward angle became steeper. In the leeward sides, the horizontal velocity decreased and reversed because of airflow separation; the maximum reverse velocity in the separation cell was about 17% of the free-stream wind velocity. Behind the dune crest, the airflow moves downwards, and its maximum downward velocity is found near the flow reattachment point. Finally, we discussed the significance of these velocity variations for sediment transport and dune dynamics.     

Numerical modelling of flow structures over idealized transverse aeolian dunes of varying geometry

A Computational Fluid Dynamics (CFD) model (PHOENICS™ 3.5) previously validated for wind tunnel measurements is used to simulate the streamwise and vertical velocity flow fields over idealized transverse dunes of varying height (h) and stoss slope basal length (L). The model accurately reproduced patterns of: flow deceleration at the dune toe; stoss flow acceleration; vertical lift in the crest region; lee-side flow separation, re-attachment and reversal; and flow recovery distance. Results indicate that the flow field over transverse dunes is particularly sensitive to changes in dune height, with an increase in height resulting in flow deceleration at the toe, streamwise acceleration and vertical lift at the crest, and an increase in the extent of, and strength of reversed flows within, the lee-side separation cell. In general, the length of the separation zone varied from 3 to 15 h from the crest and increased over taller, steeper dunes. Similarly, the flow recovery distance ranged from 45 to >75 h and was more sensitive to changes in dune height. For the range of dune shapes investigated in this study, the differing effects of height and stoss slope length raise questions regarding the applicability of dune aspect ratio as a parameter for explaining airflow over transverse dunes. Evidence is also provided to support existing research on: streamline curvature and the maintenance of sand transport in the toe region; vertical lift in the crest region and its effect on grainfall delivery; relations between the turbulent shear layer and downward forcing of flow re-attachment; and extended flow recovery distances beyond the separation cell. Field validation is required to test these findings in natural settings. Future applications of the model will characterize turbulence and shear stress fields, examine the effects of more complex isolated dune forms and investigate flow over multiple dunes.     

腾格里沙漠东南缘沙丘迎风坡风速变化的初步研究

对腾格里沙漠东南缘格状沙丘表面气流的观测结果表明,迎风坡风速的增加程度因坡成形态和原始气流的方向,强度而不同。迎风坡风速放大率介于１．０６～１．９１之间,且在格状沙丘主梁,主要与坡形系数和高度有关;在副梁随原始风入射角,坡形系数而变化,风速放大率对沙丘形态的影响主一要增加丘顶区域的输沙率和活动性,且因区域气流的方向和强度而不同,在横向气流条件下,其迎风坡随区域气流强度和增加而变缓,变长,在双向（斜     

风向对半固定沙垄表面风速影响——以古尔班通古特沙漠为例

利用DETI可移动测风系统对古尔班通古特沙漠半固定沙垄表面风速进行实地观测,获取了主要风季不同风向条件下沙垄表面7个典型部位距离地表20 cm、40 cm、60 cm、100 cm和200 cm 5个高度的风速系列数据,系统研究风向对半固定沙垄表面坡面风速及风速廓线的影响。结果表明,迎风坡的气流加速和背风坡的风速降低现象在实际观测中得到证实,但受风向的影响甚大。垄顶风速放大率随入射角的增大呈指数关系递增,而背风坡风速占垄顶风速的比率则随入射角的增大呈线性关系递减。大角度入射气流速度变化主要受控于沙垄形态,小角度入射气流速度变化主要受控于地表植被状况。无论气流以何种角度入射,距沙垄表面20 cm高度气流的加速均较其他高度缓和。沙垄底部和坡中下部的风速廓线变化趋势基本一致,且呈较好的对数拟合关系;两坡中上部和垄顶部的对数拟合方程相关系数偏小;受回旋涡流的影响,风速廓线在背风坡上部有明显偏折,初步断定涡流中心在距地表40 cm左右的高度。     

榆靖高速公路防护体系近地面流场特征

通过野外调查及风场观测,研究了在主导风向为NW-SE时,榆靖高速公路K404处上风向植被防护体系的地面流场变化特征。结果表明:（1）风速和地形存在较好的相关性。在流动沙丘和固定沙丘迎风坡,风速放大率均为正,背风坡为负,背风坡没有产生回流,风速整体减小。风速放大率计算结果表明,愈接近地面风速的变化程度越大,风速放大率绝对值与垂直高度呈指数函数关系,风速放大率的大小与沙丘类型无关。（2）接近公路的贴地面风速显著下降,现有植被防护体系能够缓解流沙危害,植被的防风效果较好。（3）流动、半固定、固定沙丘的迎风坡地表风速廓线基本符合对数律,丘顶和背风坡风速廓线偏离对数曲线,固定沙丘粗糙度高于流动沙丘。     

地形对包兰铁路沙坡头段防护体系的影响

选择沙坡头铁路防护体系典型断面,利用野外风场观测与风洞模拟,讨论地形在道路防沙体系中的作用。结果表明,防护体系前沿栅栏沙丘下风向10倍沙丘高度的水平范围内,地表摩阻风速通常小于临界值;风速递减系数随防护距离的增大而增大,地形倾斜和起伏对贴地层风力减弱的贡献占防护体系风速削弱程度的43%。自流沙区至铁路路基,潜在输沙率迅速波动降低,其中地形变化使得防护体系内潜在输沙率降低50%以上。这表明,地形是沙坡头铁路防护体系发挥卓越功能的重要因素,栅栏沙丘已成为防护体系的重要构成部分。