多因素耦合作用下风成沙丘条带结构形成与发展的力学机理研究

As a fundamental issue in environment mechanics of aeolian process, sand dunes formation mechanism has aroused attention, especially the interaction and feedback mechanism of solid particles, turbulent flow and surface morphology has been received extensive attention. Sand dunes streak structure formation and development mechanical mechanism is the basis point for complex desert morphology study. And it has important applications in the natural environment prevention. The formation and development of aeolian dunes, is related to particle micro scale to dune macro scale, has multi-coupling effect of airflow, particle, and terrain. The long dynamic response time and near wall multi-factors influent aeolian dune dynamic feature. This research intends to study characteristics of sand dune streak structure formation under the influence of multi-factor coupling. Based on theoretical models of particle collision and the particle-bed collision near wall, to achieve direct transition of spatial scale between particle movement and sand dune field, a dynamic model for the formation and development of sand dune steak structure with interaction of topography, particle and turbulent wind field will be established. The research is to reveal the coupling mechanism and evolution characteristics of turbulent wind field, sand movement and surface morphology, and analysis sand dune steak structure formation from the physical mechanism.

作为风沙环境力学研究中的基础课题，沙丘地表形成机理研究受到高度重视，尤其是在近年来颗粒、湍流风场、地表形态间的相互作用及互馈机制受到广泛关注的科学背景下。沙丘条带的形成和发展机理研究是研究复杂沙漠地表形态的基础，在自然环境治理方面具有重要的应用前景。风成沙丘的形成和发展，涉及颗粒微观尺度到沙丘宏观尺度，气流、颗粒、地形的多场耦合作用，动力响应时间长，近壁面颗粒间碰撞、粒床摩擦等因素影响风沙动力学特性。本项目拟针对多因素耦合作用下风成沙丘条带结构形成与发展的力学机理进行研究。基于近壁面颗粒碰撞和粒床碰撞模型，实现颗粒运动和沙丘场之间空间尺度的直接过渡，建立地形、颗粒、湍流风场相互耦合作用的统一沙丘条带结构形成与发展动力学模型，揭示在多因素作用下湍流风场、沙粒运动、地表形态的耦合作用机制和演化特征，从物理机制上分析复杂沙丘条带结构的形成机理。

风沙颗粒运动的力学机理作为风沙环境力学研究中的基础课题，颗粒地表颗粒运动和输沙力学机理研究受到高度重视，尤其是在近年来颗粒、湍流风场、地表形态间的相互作用及互馈机制受到广泛关注的科学背景下。 研究颗粒床面颗粒的运动机理是研究地表形态形成和发展的基础，对研究风沙灾害问题和防风阻沙具有重要作用，在自然环境治理方面具有重要的应用前景。本项目主要研究了防沙栅栏周围风场的三维风场结构和沙粒输运规律，以及颗粒床面中拖拽体阻力和升力的连续体模型，这些对于研究防风阻沙和颗粒地表力学机理至关重要。采用三维数值模拟和风洞试验相结合的方法，分析了三维流场的分布和颗粒运动规律 ，并针对不同高度、坡度和斜角的沙栅栏在不同进风条件下的防沙效果及相应的工程造价，以获得最佳的建筑物防沙设计参数。研究结果表明：1）高度是影响防沙效果和工程造价的主要因素。高度越高，防砂效果越好，但施工成本随高度的增加呈线性增加，并给出了防护网高度和风速对防沙效果的影响。2) 孔隙率是影响防砂效果的关键因素。防砂效率随孔隙率的增大先增大后减小，最佳孔隙率为10%左右，可使防砂效率最大化。3） 斜缝翼角度对防砂效果具有重要影响。 当角度为15°—60°，迎风侧积沙小于背风侧， 当角度为120°—165°时迎风面沙粒沉积大于背风侧。风洞实验也证实倾斜栅栏是最佳的开口形式。通过对颗粒床面拖拽体颗粒拖曳力和升力的连续性模型的初步建立，从力学机制上分析颗粒物质拖曳力和升力。通过三维数值模拟和风洞实验研究了颗粒的沉积，研究结果和结论为防风阻沙实际工程提供初步参考。