新月型沙丘演化行为的模拟实验研究

(限3000 Characters)：Dunes are commonly observed in natural world and play an important role in the desert expansion. It is also the hot topic in the aeolian sand physics and geomorphology. Much attention has been paid to the barchans because of their unique structure and self-organized evolution features. However, it is very difficult to study thoroughly the barchans in the field because the spatial and temporal scales of the evolution are very large. In this project, we propose a collection of novel methods to modulate the saturation rate of the aeolian sand flow to simulate the evolution of the small scale barchans in the wind tunnel. Further, the synchronous measuring system to study its microscopic and macroscopic behaviors is to be developed. And then the evolution of the barchans are thoroughly studied with controlled parameters in the wind tunnel. On the other hand, the morphological characteristics and evolution are investigated by field observations. At last, based on the results obtained by experiments and field observations, the dynamic model of the barchans evolution will be developed and the asymptotic similarity analysis will be applied to obtain the similitude criterias for the wind tunnel simulation of barchans. The achievements of this project will provide a fundemental understanding of the structure and evolution of barchans.

沙丘是自然界最常见的风沙地形和荒漠拓展的主要方式，是风沙物理学和地貌学的重要研究内容，其中新月沙丘因其独特结构和自组织演化特性而受到特别关注。但自然界沙丘演化过程过大的时空尺度对传统实地研究造成巨大困难。本项目在风洞环境中分别调谐气流和沙粒两相参数来改变风沙流饱和度，从而模拟逼近饱和状态的小尺度新月沙丘的演化过程。在此基础上发展单沙丘演化的微、宏观尺度行为及多维度宏观行为的同步测量技术,并通过对环境参数的控制来发展精确完整的沙丘演化实验；通过野外观测记录自然沙丘的阶段形态特征和局部演化过程。基于渐进相似理论，结合实验及观测结果发展沙丘演化动力模型及相似准则。此工作将对揭示迁移型风沙自组织结构的临界尺度机理和演化规律产生重要意义。

新月沙丘是单一风向风场驱动下形成的迁移型沙丘，是宏观尺度下最常见的风成沙结构和荒漠拓展的主要方式，是认识不同尺度不同类型沙丘地貌形成演化规律的关键环节。本项目以实验室尺度新月沙丘为研究对象，结合非接触式光学测量手段以及自行研发的粒子追踪测速技术，以数值模拟为辅助手段，全面研究了新月沙丘宏观尺度演化行为及与之关联的沙粒跃、蠕移微观动力学运动特性。.新月沙丘宏观构型体演化实验研究方面，开展了人工干预技术下的缩尺沙丘演化风洞测量。实验表明，可控入射风沙流以及谐振沙床均能够在保证宏观构型稳定演化的前提下获得逼近饱和态的新月沙丘构型。对沙丘演化特征尺度参量的对比分析揭示了相比于横向尺度，流向尺度对调谐量的线性变化具有更加明显的单调的、收敛性的响应。.沙丘表面微观沙粒运动研究方面，开发了适用性更强、准确度更高的粒子追踪测速算法。在此基础上开展了沙粒跃、蠕移运动过程的测量分析。对沙粒跃移动能参量的测量阐明了跃移轨迹上升段与跃移运动能量转换关键过程的对应关系。对沙粒蠕移过程的微观参量分析表明，蠕移运动可依据步进初速统计分布形态分为流体起动和碰撞起动两种类型；而介观参量结果则揭示了沙粒运动由蠕移向跃移转变的程度随风速增加而增强的趋势。.新月沙丘宏观演化数值模拟研究方面，基于理论分析和实验支撑，构建了适用于风场沙丘演化模拟的“气相大涡模拟-沙丘形态动力学”耦合数值模型以及适用于多沙丘演化与相干行为研究的“液相大涡模拟-沙丘形态动力学”耦合数值模型。数值模拟成功复现了与风洞测量相一致沙丘构型体演化过程；同时也获得了多沙丘碰撞融合态分布特性。.研究项目通过结合理论分析、风洞测量和数值模拟，在揭示迁移型风沙自组织结构的临界尺度机理和演化规律方面取得了一系列具有重要参考价值的基础研究成果。结合项目研究，共发表学术论文23篇（包括SCI论文15篇、EI论文6篇），培养研究生9名（已毕业博士3名，硕士1名）。