新月型沙丘演化行為的模擬實驗研究

《新月型沙丘演化行為的模擬實驗研究》是依託西安交通大學，由王元擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：新月型沙丘演化行為的模擬實驗研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王元
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

沙丘是自然界最常見的風沙地形和荒漠拓展的主要方式，是風沙物理學和地貌學的重要研究內容，其中新月沙丘因其獨特結構和自組織演化特性而受到特別關注。但自然界沙丘演化過程過大的時空尺度對傳統實地研究造成巨大困難。本項目在風洞環境中分別調諧氣流和沙粒兩相參數來改變風沙流飽和度，從而模擬逼近飽和狀態的小尺度新月沙丘的演化過程。在此基礎上發展單沙丘演化的微、巨觀尺度行為及多維度巨觀行為的同步測量技術,並通過對環境參數的控制來發展精確完整的沙丘演化實驗；通過野外觀測記錄自然沙丘的階段形態特徵和局部演化過程。基於漸進相似理論，結合實驗及觀測結果發展沙丘演化動力模型及相似準則。此工作將對揭示遷移型風沙自組織結構的臨界尺度機理和演化規律產生重要意義。

結題摘要

新月沙丘是單一風向風場驅動下形成的遷移型沙丘，是巨觀尺度下最常見的風成沙結構和荒漠拓展的主要方式，是認識不同尺度不同類型沙丘地貌形成演化規律的關鍵環節。本項目以實驗室尺度新月沙丘為研究對象，結合非接觸式光學測量手段以及自行研發的粒子追蹤測速技術，以數值模擬為輔助手段，全面研究了新月沙丘巨觀尺度演化行為及與之關聯的沙粒躍、蠕移微觀動力學運動特性。 新月沙丘巨觀構型體演化實驗研究方面，開展了人工干預技術下的縮尺沙丘演化風洞測量。實驗表明，可控入射風沙流以及諧振沙床均能夠在保證巨觀構型穩定演化的前提下獲得逼近飽和態的新月沙丘構型。對沙丘演化特徵尺度參量的對比分析揭示了相比於橫向尺度，流向尺度對調諧量的線性變化具有更加明顯的單調的、收斂性的回響。 沙丘表面微觀沙粒運動研究方面，開發了適用性更強、準確度更高的粒子追蹤測速算法。在此基礎上開展了沙粒躍、蠕移運動過程的測量分析。對沙粒躍移動能參量的測量闡明了躍移軌跡上升段與躍移運動能量轉換關鍵過程的對應關係。對沙粒蠕移過程的微觀參量分析表明，蠕移運動可依據步進初速統計分布形態分為流體起動和碰撞起動兩種類型；而介觀參量結果則揭示了沙粒運動由蠕移向躍移轉變的程度隨風速增加而增強的趨勢。 新月沙丘巨觀演化數值模擬研究方面，基於理論分析和實驗支撐，構建了適用於風場沙丘演化模擬的“氣相大渦模擬-沙丘形態動力學”耦合數值模型以及適用於多沙丘演化與相干行為研究的“液相大渦模擬-沙丘形態動力學”耦合數值模型。數值模擬成功復現了與風洞測量相一致沙丘構型體演化過程；同時也獲得了多沙丘碰撞融合態分布特性。 研究項目通過結合理論分析、風洞測量和數值模擬，在揭示遷移型風沙自組織結構的臨界尺度機理和演化規律方面取得了一系列具有重要參考價值的基礎研究成果。結合項目研究，共發表學術論文23篇（包括SCI論文15篇、EI論文6篇），培養研究生9名（已畢業博士3名，碩士1名）。