灌丛绕流结构及其在灌丛沙丘形成与发育中的意义

灌丛沙丘是干旱、半干旱地区常见的沙丘类型，广泛分布于沙漠外围、绿洲边缘及沙漠化农田和草原上，但目前学术界对其研究较为薄弱，涉及其形成发育动力过程的研究较少。灌丛沙丘动力学研究的难点主要在于难以精确测量由灌丛产生的复杂次生流场结构。本项目拟采用粒子图像测速系统和超声风速仪等现代测速手段，通过风洞模拟实验和野外观测，精确测定不同几何特征灌丛影响下的复杂次生流场，监测灌丛周围的风沙蚀积规律以及灌丛沙丘的形态发育过程，定量分析灌丛沙丘形态特征与灌丛绕流结构的关系，以丰富风沙地貌学的研究。

本研究利用空气动力学和风沙物理学原理，通过野外观测和室内风洞实验相结合的方法，运用PIV系统和三维超声风速仪对单个灌丛及群集灌丛周围的次生流结构及风沙蚀积特征进行了系统测定，定量分析了灌丛周围次生流场结构与灌丛几何特征的关系。研究发现：疏透度(密度)是影响灌丛周围流场特征的关键因素，次生流在灌丛沙丘形成和发育过程中有重要的意义。相比实体障碍物而言，穿过灌丛间隙的缝隙流对灌丛次生流场影响较大。群集模式下，灌丛间的距离对其周围的流场结构有很大的影响。两个并肩排列的灌丛周围的流场可以划分为三种流型，即：单个障碍型、偏斜流和自由双涡街型，两个水平或串联式排列的灌丛周围的流场则同样划分为三种流型，即：延伸流型、再付流型和协同脱落流型。复杂风况下，灌丛周围的积沙是长期风沙蚀积平衡的结果，沙影连片对雏形沙丘的形成有很大的贡献。障碍物后的低速“影区”是沙影堆积的最佳位置，但堆积的形状、大小和走向将随障碍物的形状系数和风向的不同而不同。间隙比是影响两障碍物背风区沙条形态和位置的重要因素，随障碍物间的间隙比的增大，气流重新附着的位置、低速区位置和最小摩阻速度和剪切力位置随间隙比的增大在往下风向移动。在本项目执行期间，我们发现灌丛的构型和分布格局对地表风沙运移有很大的抑制作用，下一步我们拟开展灌丛枝系构型和分布格局对地表风蚀抑制机理的研究。