新月形沙丘表面风速廓线与风沙流结构变异研究

在风沙地貌学中,跃移沙粒与风场的耦合作用下,其最直观的表现形式为风速廓线和风沙流结构的变异。通过对塔克拉玛干沙漠腹地新月形沙丘迎风坡坡脚、沙丘顶部、沙丘的两个兽角前端、沙丘背风坡坡脚5个典型部位的风速廓线和风沙流结构进行了实地观测,并与参照点（丘间粗沙地）的风速廓线和风沙流结构进行了对比。发现受地形扰动作用,沙丘背风坡坡脚处和沙丘的两个兽角前端的风速廓线形式均呈现非对数形式分布。除迎风坡坡脚处风沙流结构与参照点处相似之外,其余各个部位风沙流均表现出不同于参照点的结构形式。直接采用曲线拟合方法对风沙流结构函数进行拟合,并针对有明显分段现象的风沙流结构形式,采取分段拟合,并对造成风速廓线和风沙流结构变异的原因进行了讨论。     

库布齐沙漠南缘抛物线形沙丘表面风沙流结构变异

对库布齐沙漠南缘抛物线形沙丘表面气流和输沙率的野外观测和分析结果表明,沙丘表面约90%的风沙输移集中在距沙面0.10 m高度范围内,输沙率随高度递减的形式在沙丘各部位因风速、下垫面状况和坡面形态不同而发生变异。沙丘迎风坡坡脚因出露坚硬、含砾石地表,颗粒跃移高度大,风沙流上层相对输沙率大;迎风坡沙粒沿坡向上运动,颗粒跃移高度减小,风沙流中近地表相对输沙率大;沙丘背风坡沙粒沿坡向下运动,加之来自丘顶变型跃移物质的影响,风沙流上层相对输沙率较大;脊线受迎风坡各个断面地形差异的影响,各观测点间风沙流结构差异显著。风沙流结构在迎风坡和丘顶均遵循指数递减规律(Q=aexp(-z/b)),其中,指数函数拟合中系数a与输沙率具有良好的幂函数关系,随风速增加而增加,但二者关系较弱;b与二者无相关性。背风坡风沙流结构具有明显的分段现象,以0.10 m高度为界,下层符合指数函数,上层符合幂函数。     

新月形沙丘表面100cm高度内风沙流输沙量垂直分布函数分段拟合

为研究新月形沙丘表面不同层位风沙流输沙量的垂直分布函数,实测了塔克拉玛干沙漠腹地典型新月形沙丘表面100 cm高度内(以1 cm分隔)的输沙量。分段拟合分析表明:新月形沙丘迎风坡脚输沙量垂直分布规律不完全服从指数函数,出现与戈壁风沙流结构特征相似的"象鼻效应",在0~3 cm区间内输沙量逐渐增大,3cm以上输沙量随高度呈指数函数衰减;沙丘顶部0~10 cm区间输沙量随高度呈指数函数衰减,10 cm以上呈二次函数衰减;沙丘左翼端输沙量随高度呈幂函数分布,沙丘右翼端0~20 cm内以指数函数衰减,20 cm以上呈三次函数衰减;沙丘背风坡脚风沙流输沙量在0~60 cm和60 cm以上分别呈不同形式的三次函数分布。     

新月形沙丘丘表流场与沙丘蚀积特征

对新月形沙丘和沙丘链丘表流场风向、风速和蚀积量进行测定。迎风坡均表现风蚀,背风坡和兽角处表现堆积,蚀积特征、速度与流场中风速、风向相吻合。     

柴达木盆地新月形沙丘和线性沙丘共生现象

沙丘的共生,指的是不同类型的沙丘能够在同一片区域某一个时间段同时存在。对柴达木盆地的5处新月形沙丘和线性沙丘共存区域进行分析研究,结果表明这种共生沙丘一般都发育在沙源不足的高山、湖泊的边缘,而且发育在常年单一风向条件下;都是发育小型沙丘,很少有大型的共生沙丘;新月形沙丘和线性沙丘发育没有固定的方位模式,但都是沿着主风向发育,发育的相对位置与障碍物的方位有很大的关系;风况对共生沙丘的发育也有很大的影响。     

新月形沙丘形态的模拟实验研究

新月形沙丘是风沙地貌基本形态之一,一般为高浓度非饱和风沙流所塑造。其形成过程始于风沙运动的“波粒二重性”,并经历沙物质积累（高浓度饱和风沙流）和形体塑造（高浓度不饱和风沙流）两个发育阶段,即耗散性增大和色散性减小过程;非沙质床面零星分布的单个新月形沙丘具有明显的移动性和形态的不稳定性（高大新月形沙山除外）。风洞实验条件下形成的新月形沙丘形态（其尺度比床面沙纹大一个数量级）,有助于新月形沙丘形成机制的了解。     

雅鲁藏布江米林宽谷段新月形沙丘粒度分异研究

雅鲁藏布江中游米林宽谷段阶地面上广泛发育带状延伸,由上段风蚀槽、中段过渡区和下段堆积区组成的风沙活动带。风沙活动带各段新月形沙丘表面沉积物粒度分析表明,沙丘表面沉积物总体为细沙、中等分选、极细偏、多峰,表面粒度分布模式多属丘顶最粗型。受沙源和分选距离的影响,沙丘沙粒度特征在风沙活动带内表现出一定的空间差异性,上段风蚀槽内发育的沙丘规模小,粒径细,分选差,极细偏,多峰;中段和下段沙丘表面沉积物粒径变粗,分选变好,正偏转向近对称,多峰转为单峰。     

新月形沙丘与线形沙丘共生现象探讨——以撒哈拉沙漠为例

沙丘共生问题是风沙地貌研究的热点,目前尚缺乏较为深入的探讨。以共生沙丘分布最为广泛的撒哈拉沙漠为例,基于Google Earth高清卫星影像对新月形沙丘和简单线形沙丘共生区域进行参数识别,并对其区域风况特征和形成发育环境进行分析,以探讨共生沙丘形成的可能原因。结果表明：撒哈拉沙漠共有17处典型的共生沙丘区域,是世界上最大的共生沙丘分布区。区域及单个共生沙丘形态参数之间均存在一定相关性,但并不具有理论上应具有的良好相关性,表明影响沙丘共生的因素较为复杂。共生沙丘在低、中、高风能环境以及不同风向变率下均可发育,但主要在低风能环境、中等风向变率,锐双峰风况下形成。单一的起沙风风向是共生沙丘形成的重要条件,合成输沙势方向与沙丘走向基本一致。除风况外,障碍物如山脉、河流等因素同样对沙丘共生发挥了重要作用。     

新月形沙丘维持相对稳定的两种过程

新月形沙丘顶部稳定性是风沙地貌学尚未解决的科学问题。研究新月形沙丘的顶部稳定性,对于绿洲边缘风沙运动规律揭示、防沙工程建设和沙区生态环境保护等具有重要的现实意义。选择民勤沙区新月形沙丘,通过测定沙丘各部位风速、风蚀风积和粒度等,分析了新月形沙丘顶部稳定机理。主风向（NW）作用是新月形沙丘最高点与沙脊线重合、沙丘前移和高度降低的过程;反向风（SE）作用是沙丘最高点与沙脊线分离、沙丘背风坡风蚀与沙丘增高的过程。由于研究区以NW风为主,新月形沙丘沿NW-SE方向前移,SE风只能风蚀减缓沙丘背风坡的坡度。人为干预将会阻止或减少从迎风坡向沙丘顶部输送沙量,使得新月形沙丘背风坡尤其是背风坡上部风蚀过程增强,新月形沙丘逐渐过渡为抛物线形沙丘。     

新月形沙丘表面流场特征北大核心CSCD

目前对新月形沙丘表面流场尤其是涡流区的复杂流动结构缺乏全面的认识,新月形沙丘形态特征和来流风速对流场结构的影响需进一步研究。利用CFD数值模拟的方法,采用RNG k-ε湍流模型,研究了在不同几何参数和来流风速下新月形沙丘表面的流场特征,重点研究了背风侧涡流区的流动特征及范围与沙丘几何参数和来流风速的关系。结果表明:新月形沙丘高度越高、迎风坡坡度越大,其尾流涡流区长度越长,长度为沙丘高度的5~7倍;来流风速对尾流附着点的位置影响较小,不同来流风速导致的涡流区长度为沙丘高度的6~7倍;来流风速越大,尾流保护区长度越短,沙丘对流场的干扰范围越小。本研究深入解析了流场对新月形沙丘形态的塑造作用,进一步从流场的角度印证了新月形沙丘翼角下游小新月形沙丘形成的成因。     

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。     

Barchans of Minqin: quantifying migration rate of a barchan

The migration speed of a typical barchan on the border of Minqin oasis,Gansu Province,northwestern China,was estimated by means of two methods.One is on the basis of a simple physical model and short-term field measurements.The other comes from the combination of the barchan internal structure detected by ground-penetrating radar and optical/radiocarbon dating techniques.The upper limit of migration speed given by conventional C-14 dating is 3.42 m/yr.The optically stimulated luminescence dating indicates that the time-average migration speed of the studied barchan was 1.78 m/yr in 28 years prior to 2007.The physical estimation further suggests that the annual migration speed has increased in recent years.     

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。     

基于湍流结构的风沙颗粒起动动态演化的概念模式

从驱动沙粒群起动的湍流结构入手,提出了基于气固两相流自调节机制的风沙颗粒起动的概念模式。受风沙边界层湍流相干结构的产生、消亡、湍流的随机脉动和运动沙粒群碰撞过程的动量损失等因素的控制和影响,风沙两相流始终处于不平衡—平衡—不平衡的动态演化之中,在此过程中,存在着普通的空气动力学起动、典型的冲击起动、湍流猝发起动等多种起动方式的循环交替的动态演化。上述多种的沙粒起动方式能够根据风沙边界层边壁区的湍流运动应力和沙粒群碰撞过程的动量损失来界定。该概念模式需要综合利用相位多普勒粒子动态分析测速技术、粒子图像测速技术和高速数字摄影技术等手段来进一步验证。该概念模式的提出,将为深入理解沙粒起动的力学机制提供新的思路。     

风成沙波纹数学模型综述

风成沙波纹是风力作用下地表形成的最基本的地貌类型。近年来,随着计算机技术的迅猛发展,风成沙波纹数值模拟研究越来越引起重视。本文简要介绍了风成沙波纹数学建模的理论基础,并将已有的风成沙波纹数学模型划分为3类,着重介绍了几个经典的风成沙波纹数学模型,详细列举了这些模型的假设条件和数学表达,分析了他们的优缺点。目前,风成沙波纹数学建模的两个基本理论依据为:一个是地表坡度变化导致的蠕移沙通量的变化;另一个是跃移长度随沙床面高度变化的规律,但目前关于此理论的研究并不多。最后,总结和展望了这一领域的研究方向和前景。     

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。     

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。     

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。