风成沙波纹的数值模拟及稳定性分析

本文基于颗粒的质量守恒原理,考虑了沙粒的跃移、溅移和蠕移运动,建立了风成沙波纹的非线性积分微分演化方程,并进而通过尺度变换得到了近似的微分方程。数值求解该微分方程,得到了与野外观测相一致的沙波纹斑图,同时再现了沙波纹生成、合并的非线性行为,为进一步风成地貌形成演化的理论分析提供了一种可行的数学物理方法。     

风成沙波纹脊线提取与应用计算

风成沙波纹是沙质地表在风力作用下形成的最小地貌单元,对研究风沙的起动过程和运动过程极其重要,同时,沙波纹形态特征的研究为了解大尺度范围风沙地貌形态演变提供理论基础。然而由于风成沙波纹尺度较小,形成速度较快,导致对其形态特征的观测比较困难。近些年,随着计算机图形学的迅猛发展,数字图像处理方法得到了较大发展,使得测量和计算更加便捷。本文基于高清相机拍摄的风成沙波纹图像,借助于Matlab平台,采用数字图像处理技术,对沙波纹脊线进行提取,并应用于沙波纹形态参数计算。本文选取腾格里沙漠东南缘的沙波纹进行验证分析,得到风成沙波纹波长的正态分布规律,沙波纹的波长随时间逐渐增长,在40 min的时间范围内,波长由不足1 cm逐步发展到接近10 cm。最后,采用数字图像处理方法,计算了沙波纹脊线长度和波长。采用数字图像处理方法,波长等数据更易于获取和统计,数据采集效率大大提高,为风成沙波纹的研究提供了新的方法。     

风成沙最优振筛时间

筛析法是测定沉积物颗粒组分的简单便捷方法,但关于振筛机对不同物料颗粒的最佳筛析时间少有报道。采用顶击式标准振筛机、1/2Φ间隔的套筛,开展了以风成沙为筛析样品、以筛析时间为变量的实验。结果表明：随着筛析时间增加,粒度参数的平均粒径和分选系数有增加且趋于平稳的趋势,但参数级别未发生改变;随筛析时间的增加,个别样品的偏度和峰度级别发生改变,其余均未改变;整体上,≥35目的筛网是决定1/2Φ间隔套筛最佳筛析时间的主要标准筛,但不同特性的风成沙颗粒对不同筛网的最佳筛析时间存在差异;为保证在筛析时间增加的过程中,粒度参数级别不再发生改变,且各筛网上的沙物质颗粒质量变化较小或趋于稳定,选取供试样品的平均最佳筛析时间作为风成沙颗粒筛析的最佳时间,建议风成沙颗粒的最佳筛析时间为14min。     

西藏中西部风成沙的地球化学特征

研究区位于青藏公路以西、雅鲁藏布江以北。这里存在着明显的风成沙搬运和堆积现象。大部分地区的风成沙中缺失-2～+0.9 mm粒级段,优势粒级出现在-0.3 mm粒级段中,比例高达85%以上。多数样品中元素含量分布均表现出从粗至细粒级逐渐降低,在-0.45～+0.3 mm或-0.3～+0.2 mm粒级降至最低;然后,向细粒级方向含量再次升高。Hg则从粗向细粒级含量逐渐增高,中间变化很小。但在风成沙来源地有矿区存在时,则出现相应元素的明显升高。藏北双层风成沙丘中两层沙子各粒级中元素含量没有明显差异（Hg除外）;推测两次堆积的风成沙来源地是一致的。     

风成沙纹形成的风洞模拟研究

风成沙纹形成于沙质床面下游的沙粒蠕移,发展于沙粒跃移－风沙流的“波粒二重性”作用,消亡于气流与风沙流的正弦波共振。以细沙和极细沙为优势粒级的天然沙丘沙是风成沙纹形成的最佳粒配。沙纹移动速度ＶＲ是缓慢的,其数量级为１０－１ｃｍ·ｍｉｎ－１～１０１ｃｍ·ｍｉｎ－１,实验关系式为：ＶＲ＝１．５８×（ＶＬ－５．５）０．６７。     

南海北部大陆架残留风成沙与海岸带古风成沙的对比及关系研究

广泛分布于南海北部大陆架的残留风成沙,在形态、粒度、石英沙粒表面微结构、矿物组成及浅地层剖面等方面总体上具备风成沉积特征。同时,南海北部沙质海岸多处发育的晚更新世古风成沙,在粒度、沉积构造与结构等方面亦有明显的风成沉积特征。二者构成的风沙地貌体发育具有同期性、形态有相似性、空间分布有大陆架向海岸带延伸的连续性。由此表明,南海北部大陆架与毗邻沙质海岸的沙源有同源性,沉积环境有类比性。据此可以认为,南海北部大陆架残留风成沙与海岸带古风成沙为近源沉积成因系列,二者为同期同相连续性沉积。     

风成沙纹数值模拟研究述评

风成沙纹的数值模拟研究已取得了不少进展，但各家所采用的模拟方法及模拟结果存在不少差异。笔者从模型构建，边界条件和初始条件的确定，算法设计以及模拟结果等方面对目前具代表性的六家沙纹数值模拟方法逐一进行了详细评述，最后提出了沙纹数值模拟研究的发展趋势。     

冲击角对风成沙纹形态影响的机理分析

采用数值模拟的方法研究了沙粒冲击角对风成沙纹形成过程及其形态特征的影响。模拟中采用了均匀和正态两种冲击角分布情况。冲击角在10°~16°范围内均匀分布时,冲击角对沙纹波高影响不大,沙纹波长随冲击角影响系数的增加略有减小;沙粒跃移冲击角在5°~25°范围内呈正态分布时,冲击角影响系数增加时沙纹波高几乎没有变化,但沙纹波长却明显减小。     

华南海岸现代风成沙与海滩沙的粒度特征差异

基于华南海岸沙丘集中分布的闽南、粤东、粤西、海南岛沿岸141个现代沙丘沙和70个海滩沙样品的粒度数据,从粒径组成、粒度参数、粒度参数图和概率累积曲线等方面,分析了华南海岸现代风成沙与海滩沙的粒度差异特点。结果表明:现代沙丘沙较海滩沙细、分选程度变好、正偏相对增多及峰态变窄,但二者的差异并不显著,其概率累积曲线相近且一般通过粒度参数图难以区分,差异程度还呈现出明显的区域性。上述差异主要受华南海岸沙丘发育时间较短、季风气候的风向交替、台风频发、风沙活动空间不足、沙源粗细不同与沙丘规模差别等因素影响。     

基于激光垂直照射沙床面的风成沙波纹二维形态特征分析

风成沙波纹因其规则的波浪形几何图案吸引着研究者的兴趣,但是对其发育过程的认识还比较薄弱.原因之一就是缺少高精度和高分辨率的沙波纹形态动态测量方法.传统的风成沙波纹形态动态测量方法采用的倾斜光源照射方式忽略了沙波纹脊线高度和走向的变化,会导致沙波纹高度测量错误和形态变形.本研究建立的激光片光源垂直照射沙波纹表面的方式纠正...     

风沙跃移运动发展过程的离散动力学模拟

采用类似分子动力学的离散方法对二维风沙跃移过程运用高性能并行计算进行理论模拟。在本模拟模型中,考虑了沙粒与床面的碰撞、跃移沙粒与气流的相互作用等基本力学过程组成的复杂系统。通过并行运算技术使计算沙粒数达到72000的巨量计算得以实现。初步结果显示：自然跃移运动的基本特征如风沙流层内输沙率廓线可以较为成功的得以模拟。     

风砂土基本性质及其与土工格栅作用试验

对库布齐沙地、毛乌素沙地和腾格里沙地的调查和现场采取土样,试验测试了风砂土的物理力学性质指标和矿物化学成分,研究并提出了库布齐和腾格里风砂土粒度成分、化学成分的同一性,以及与毛乌素风砂土的差异性,这是由于土的成因与环境条件所至。对比分析了天然重度与干重度相差很小,最疏松状态下和最密实状态下干重度的也较接近,可用于控制填土密实度。在直剪摩擦和拉拔摩擦试验基础上,研究了土工格栅加筋风砂土产生的φ值和具有类似内聚力的c值,土工格栅与土摩擦形成的复合材料改善和增强了力学与工程性能的原因以及土工格栅所起的作用。     

风沙流起动阶段沙粒输运特征

为了探究风沙流起动过程中沙粒输运特征,利用PTV测量技术在风洞中对风沙流起动过程进行了测量,分析了沙粒空间分布、沙粒平均水平速度、输沙率、沙粒数密度和输沙通量随时间的变化规律。结果表明：风沙流起动时间大约为1.5 s。起动过程中,输沙率随时间迅速增加,气流中沙粒总数目随时间的变化可表示为指数函数,沙粒数密度和输沙通量随高度的变化均可近似表示为负指数衰减函数。在t=1.0 s时刻的沙粒平均水平速度大于相同高度处以后时刻的沙粒平均水平速度,同一高度处t=1.5 s以后的沙粒数密度大于t=0.5 s、1.0 s时刻的沙粒数密度,同一高度处t=1.5 s以后的输沙通量大于t=1.0 s时刻的输沙通量。沙粒数密度随高度的衰减率一般随时间的增加而减小,并在t=1.5 s后逐渐接近稳定值。     

悬移层风沙运动数值模拟

针对沙尘暴天气的风沙气固两相流,采用FLUENT软件,对悬移层的风沙运动进行了,2D数值模拟分析．比较了流体边界条件对流场的影响。风沙起动后,用紧贴地面的平面作为风沙起动床面的简化模拟面。本文提出一个新的沙粒起动体积浓度的表达式,并在计算中作为边界条件。在模拟中,避免了对床面复杂状况的直接描述。计算结果揭示了风沙流起动阶段沙尘的速度、体积浓度分布规律及其在边界条件影响下的变化规律。     

风沙流中不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布实验研究

在非均匀沙床面上, 风沙流中不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布, 是非均匀风沙运动研究的重点。研究首先通过风洞实验, 收集了风洞中垂线垂向输沙量分布沙样, 然后对集沙沙样进行了沙粒粒度分析实验, 实验分析结果得出了不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布规律, 基于稳定平衡风沙跃移运动模型和本文实验结果, 最后数值模拟研究了不同粒径组沙粒输沙量垂向分布, 与沙粒起跳速度和角度之间的关系。本文研究结果得出, 在非均匀风沙流中, 粗粒径组沙粒垂向输沙量上部符合指数递减分布但近床面区偏离指数分布, 呈现为偏大型分布, 粗粒径组对应的沙粒起跳速度和角度分布均为指数函数; 细粒径组沙粒垂向输沙量在整 个高度上均符合指数递减规律, 细粒径组沙粒对应的起跳速度分布为指数函数, 起跳角度分布为高斯函数。沙粒的平均起跳速度, 在0.4u*~2.2u* 之间变化, 随着气流风速(u*) 和沙粒粒径的增加而减小。     

风沙流输沙通量垂向分布研究 ——以塔克拉玛干沙漠南缘流沙地表风沙流观测为例

 于2010年4—6月在塔克拉玛干沙漠南缘策勒绿洲外缘流沙地进行风速、风向和输沙量同步观测,利用观测到的28组数据对输沙通量的垂向分布进行研究。结果表明,在4.5～8 m·s-1的风速区间内,总输沙率随风速增长速率较慢,大于8  m·s-1时增长迅速。在较小风速时,4个高度层(1 cm、3 cm、9 cm和19 cm)的输沙比率变化不明显,当风速大于6.6 m·s-1时,1 cm和19 cm高度输沙比率的调整较为明显,前者减小而后者增加,中间两层(3 cm、9 cm)则维持一定波动。不同的蚀积条件对于输沙通量的垂向分布具有一定的影响,平均跃移高度则在一定程度上反映了地表沙粒的吹蚀和堆积过程。在4种常见的描述输沙通量垂向分布的模型中,Zingg的修正幂函数具有最好的拟合程度,但反映的风沙流信息最少,简单幂函数的参数包涵了最为丰富的风沙流信息但拟合程度最差,指数函数同时具有较好的拟合程度和参数意义,Fryrear的幂函数则与指数函数恰恰相反。在沙物质以极细沙为主的塔克拉玛干沙漠南缘,指数函数较之简单幂函数能更好地描述该区域输沙通量的垂向分布,验证并补充了风洞实验的结果。综合比较认为,指数函数能更好地描述塔克拉玛干沙漠南缘输沙通量的垂向分布。     

海滩养护影响下的海岸风沙堆积——以福建平潭岛龙凤头海滩养护工程为例

海滩养护工程实施后,在保护海岸抵御侵蚀的同时往往还产生其他的环境问题。尤其在强风区海岸,海滩养护造成了滩面环境的改变,使滩面风沙搬运和沉积特征都发生了显著变化。对福建平潭岛龙凤头海滩养护工程实施前后的风沙沉积对比研究表明,养护后海滩的干滩宽度、滩面沉积物粒径、表层湿度、海滩高程等环境要素变化对滩面风沙搬运与沉积过程都产生了重要的影响。主要结论为:(1)养护海滩干滩滩肩高程的提高增加了滩面风速,增大了滩面风沙输沙率;(2)养护海滩干滩宽度的增加既扩大了风区长度也为风沙搬运提供了充足的物源,且不受潮汐过程影响,提供了持续的风沙物源供给,增加了风沙作用时间;(3)养护海滩剖面形态的变化使得海滩滩面沉积物含水率减小,降低风沙起动风速,增强了滩面风沙搬运。     

新月形沙丘脊线处的风沙流结构

分析流动沙丘脊线处的风沙流结构对认识其形态-动力学过程至关重要,进而为干旱区绿洲保护和生态重建提供基础数据支撑和理论依据。利用传统的被动式集沙仪,分别对正风向与反风向情况下新月形沙丘脊线附近0~60 cm高度内的风沙运动进行观测,通过函数拟合方法分析风沙流结构。结果表明：正风向时,输沙量随高度增加符合幂函数递减的规律,气流对沙物质的输运集中在近地表30 cm高度内;反风向时,输沙量随着高度的增加先增加后减少,变化趋势近似符合双高斯函数,气流含沙量在30~50 cm高度内最多。