波浪作用下沙纹床面底层流动特性研究

涡动沙纹很大程度决定着床面阻力和波浪衰减,针对涡动沙纹作用下的绕流结构具有强二维特性,建立了立面二维曲线坐标下的数值模型.利用国外公开发表的试验数据进行验证,表明模型能模拟波浪作用下底层分离涡随时间、空间变化的动力特性,对底层流动的紊动特性、床面剪切应力的随时间、空间的变化以及涡动结构的尺度分别进行了讨论.     

风沙物理学中两个焦点问题研究现状与未来研究思路刍议

风沙物理学经过数十年的发展与完善,可以说基本上自成体系。但由于学科的起步较晚,加之现象的复杂性,目前仍有很多重要的理论问题没能彻底解决,至少还未达成共识,成为学术界长期以来争论的焦点,从而影响了学科的继续发展。对“沙粒起动机制”和“风成沙纹的形成机理”两个焦点问题在进行研究现状剖析的基础上,浅析未来研究思路。提出沙粒起动主要驱动力是驻点升力的观点,以空气动力学理论为基础的沙粒起动机制研究将是未来该领域的发展趋势;关于沙纹的形成,认为沙粒粒径的不均匀性以及所导致的非平衡运动是前提和基础,风沙流运动过程中类似左右沙丘运动的蚀积转换规律是使沙纹能够维持其稳定形态的必要条件,而沙纹有规律、整齐划一的分布与排列可能与背风面气流小尺度的涡流有关。     

应用近景摄影法研究沙纹的移动

近景摄影能够在无干扰的条件下,精确地测定正在发育阶段的风成沙纹,以波动方式整体移动的平均移动速度V_R(cm·min^-1),和相应的沙纹波长L(cm)波高Δh(mm)及其平均值。同时,求得沙纹移动速度V_R与局地风速V_L之间的实验关系式为V_R=158×(V_L-5.5)^0.67,沙纹移动是缓慢的,其数量级变化于10^-1~10¹cm·min^-1之间。沙纹波长与波高与直接测定值相当吻合。     

沙纹弹道成因理论评析

运用风沙地貌蚀积原理对长期风靡于风沙地貌学研究领域的R·A·拜格诺跃移质冲击起动学说进行了评析,在肯定该学说正确方面和历史贡献的同时,对其中的沙纹弹道成因理论提出了异议。在分析弹道理论特点后认为,跃移质等量、等高、等距的三等特性是拜氏冲击起动学说在沙纹成因上的具体运用和观点的集中体现。分析认为沙粒跃移特性轨迹只存在于少量的跃移质中,且很少具有连续性;它不能取代普遍存在于风沙移动之中沙粒的3种运动形式,也无法体现沙粒两种起动的相互关系和沙粒在移动中所表现出来的高低不一,移距长短不同的差异性和分选性。评析强调沙粒起动和沙粒运移的多样性,在寻求它们的规律时,不应简化其多样性,或追求运动的单一性和特殊性。实验证明,沙纹无论在初始的形成阶段,还是在后续的演进阶段,均有风力起动和冲击起动的参与,而不是跃移质单一冲击的结果。沙纹有规则的排列主要是贴地夹沙气流周期性脉动的反映,而不是跃移质特性轨迹的重演。     

前进波作用下沙纹床面的净输沙方向与净输沙强度

在沙纹床面输沙过程中，假设水流从涡中取出并搬运的悬移质数量与推移质运动的沙星成比例，由12组细沙实验结果得到了沙纹床面净输沙的方向和输沙强度公式，并与他人的实验结果进行对比。     

风成沙纹的研究进展

近半个多世纪以来国内外学者对沙纹各方面有了详尽的研究,使沙纹研究理论逐渐趋向系统化和完善化。在扼要回顾了风成沙纹的研究历史的同时,分别从沙纹形态、沙纹形成过程和沙纹形成中的颗粒分异机制等几方面阐述了沙纹研究的现状及主要进展。最后根据沙纹研究的现状和目前沙纹研究中存在的问题,对将来的研究趋势作了初步探讨。     

沙纹床面摩阻引起的波高沿程衰减

在浅水区的砂质床面上传播的波浪当其强度达到一定条件后,将使底床形成沙纹床面;由于沙纹床面上的底部剪应力远大于平床面上的底部剪应力,因此,在沙纹床面上传播的波浪比在平床面上传播的波浪的衰减要快得多.本研究在波浪水槽中对沙纹床面上传播的波浪的沿程衰减进行了探讨,同时,对水槽两侧壁边界层摩阻对波高衰减的影响做了分析.本文给出的理论成果与实验成果的比较表明,两者符合很好.     

黄河下游床面形态判别方法探讨

基于床面形态控制数理论,结合已有水槽试验研究成果,分析了床面形态控制数与不同床面形态的对应关系,提出了包括沙粒弗劳德数及相对水深(水深与泥沙中值粒径之比, 下同)的床面形态参数, 论述了简化床面形态控制数的计算方法及适用范围,研究了床面形态控制数与床面形态参数之间的相互关系及适用性;结合黄河下游床面形态运动特征,建立了床面形态判别方法。研究认为床面形态控制数能够反映高、低能态区的水流阻力特征;床面形态控制数与床面形态参数之间的关系,既适用于室内水槽试验也适用于天然河流;建立的黄河下游床面形态判别方法,得到了野外实测资料的初步检验,能够用于黄河下游不同能态区床面形态的判别。     

波浪-海流-微地形耦合的沉积动力模式建立及应用

沙纹微地形普遍存在于海底,沙纹的消长能改变底部应力进而影响泥沙的运移。以往研究较多侧重于波致沙纹,并已应用于波浪模式的底摩擦计算,而较少考虑波流联合效应产生的沙纹,也未将其应用于综合的水动力模式和沉积物输运模式。本文在POM水动力模式中嵌入新南威尔士大学泥沙模式,通过耦合波流共同作用的微地形模型与波流相互作用底边界层模型,发展了波浪-海流-微地形（沙纹）耦合的沉积动力模式。本文将该模式应用于澳大利亚Jervis湾,针对波主导和波流联合主导沙纹两种类型,分别进行了沙纹发展状态、几何形态的分布及悬浮泥沙的模拟。结果表明:波致沙纹比波流联合作用的沙波具有更大的波高和波长,因此当波主导时沙纹对悬浮泥沙起着关键作用。通过考虑随沙纹变化的粗糙度,相比于以往模式设置均一的粗糙度,该模型能对悬浮物浓度的骤升过程进行更精细的预测。     

气流水平涡度对沙纹形成的动力作用

从分析沙面流体边界层特征入手,导出了与沙面平行而与气流垂直的水平涡度分量ξy和高度成倒数的关系,说明气流经过沙面是高度有旋的。因此,气流质点在做水平运动的同时做旋转运动,其结果形成类似摆线的波动。不同尺度的波相互叠加,通过自组织形成有序的波动。沙粒在波谷被风蚀,在波峰堆积,最终形成沙波和沙纹。