新月形沙丘表面气流和风沙流结构变异

Based on relative theory and method of geomorphology of wind-drift sands, physics of Blown sand, multiphase fluid mechancis et al., this program measures plenty of mean velocities and turbulence of airflow and movement velocities of sand grains and flux of Aeolian sand flow around surface of Barchan dune by using portable anemoscope and sampler et al. observation instruments in field and 3D-PIV, hot film anemoscope and three dimensional ultrasonic wind instrumentet al. high precision measuring instruments in wind tunnel. First, this program illuminates airflow and vertical distribution of flux of Aeolian sand flow and their variation laws around surface of Barchan dune, and develops quantitative relationship among shape characteristics of Barchan dune, airflow of surface and regions airflow, and disclosure formation mechanics, intensity of second airflow in the leeward side of Barchan dune and the their influence on surface airflow based on relative theory and method of geomorphology of wind-drift sands, physics of Aeolian sand and multiphase fluid mechanic. Second, this program analyzes force process and liftoff mechanics of sand grains of surface of Barchan dune where there are vertical variance of wind velocities, and studies motion process of sand grains for different location around surface of Barchan dune, and establish quantitative relationship among surface airflow and vertical concentration of sand grains within saltation layer and diameters of sand grains, and clarifies variation mechanics of structure of Aeolian sand flow. This program will provide theory basis and data support for study of formation mechanics of Barchan dune.

运用风沙地貌学、风沙物理学、多相流体力学等相关科学的理论与方法，以野外实地观测和风洞模拟实验相结合为研究手段，充分利用热膜风速仪、图像测速系统以及三维超声风向风速仪等现代高精密测试技术，测定新月形沙丘表面风沙流中气流平均速度和湍流度、沙粒运动速度以及输沙率等物理量，阐明沙丘表面不同部位气流场和沙尘物质垂向分布及其变化规律，建立沙丘形态、表面气流场和区域气流之间的定量关系，揭示沙丘背风侧次生气流的发生机制、强度及其对表面气流的影响。在此基础上，分析沙丘坡面上风速垂向变异情形下的沙粒受力和起动机制，研究沙丘表面不同部位沙粒运动过程，构建沙丘表面气流场与跃移层沙粒垂向浓度、沙粒粒径的定量关系，阐明沙丘表面风沙流结构变异机理，为新月形沙丘发育机理研究提供理论和数据支持。

沙丘表面气流是区域气流和沙丘形态相互作用的产物，控制沙丘表面沙粒运动、蚀积过程，以及沙丘形状、发育过程和内部沉积构造。沙丘表面气流和各种沙粒运动输沙量及其相互作用是揭示沙丘形态变化和动力学过程的关键。由此可见，地形、气流场和沙粒运动三者之间相互影响，并在沙丘一级的空间尺度上形成了一个相对独立的系统。本项目在风沙地貌学、风沙物理学等相关科学的理论与方法支持下，结合多期遥感影像、野外实地观测与风洞模拟实验，对沙丘形态参数、气流场、沙粒运动参数与输沙量、蚀积和沙粒粒度分异等方面展开了详细的研究。沙丘参数之间的相关性与迁移过程中的不确定性，取决于气流场、沙粒形状、大小和比重以及下垫面状况，毛乌素沙漠沙丘宽度与背风坡水平长度显著相关，而塔克拉玛干沙漠沙丘背风坡长度和沙丘两翼的长度与沙丘均具有明显的相关性，其余形态参数间相关性较弱。沙丘风速加速率随沿迎风坡减小，在垂向上可分为两个阶段，且其划分与其表面气流内边界层和外边界层的界限一致；内边界层，空气动力学粗糙度受地表状况影响强烈，其结果较为复杂；在外边界层，空气动力学粗糙度相近；沙丘表面湍流强度与自由流速的大小无关，与沙丘表面平均气流速度的关系可以视为湍流的能量消耗与释放的过程；沙丘表面气流在垂向上存在明显的分异，100cm以上气流场等值线属于同一个形态，越贴近沙丘表面，气流场等值线越复杂。沙丘表面90%以上的沙粒运动发生在近地表10cm以内，沿迎风坡增大；背风侧顺风向和逆风向均有沙粒运动，前者随与背风坡的距离增大而增大，后者刚好相反，而且背风坡坡角前者远小于后者；迎风坡和丘顶风沙流垂向分布遵循指数函数，背风坡具有明显的分段现象（10cm以下遵循指数函数，其上遵循幂函数）。本项目上述及其其他研究成果，为揭示沙丘形成演化过程提供理论基础。