风沙边界层湍流背景下特征粒子群流向分异机制对沙波纹形成的控制作用的实验研究

In order to understand further physical mechanism of aeolian sand ripple formation, characteristic particles’s trajectories will be investigated in a wind tunnel by using improved high speed photography method and an image treatment arithmetic. Probability distribution of lift-off velocity, angel, hop height and distance, as well as mean acceleration during will be studied to illustrate difference between characteristic particles and general particles. The correlation between turbulent structure and acceleration of characteristic particles will be analyzed by observing turbulence and characteristic particle trajectories so as to show how turbulence to differentiate characteristic particles from common ones. The inherent linkages between momentums differentiation, steam-wise variations of characteristic particles as well as sand ripple formations will indicate how steam-wise variations of characteristic particles to control sand ripple formation. This project will give more important insights about momentum partition between incidental, rebounding and ejected particles, coupling mechanism of wind-sand, cause of temporal and spatial variation of sand transport and predication of saltation and dust emission.

针对风成沙波纹形成机制的分歧，围绕风沙两相流的关键问题，以高速-高溅射率的特征粒子群的轨迹形成过程为切入点，拟利用改进的数字高速摄影技术和图像处理技术，研究特征粒子群起跳角度、速度、跃移距离、跃移高度、上升和下降阶段的平均加速度的概率分布特征，厘定特征粒子群与普通粒子群轨迹特征的差异。比较湍流结构统计特征与特征粒子群加速度等轨迹参数的统计特征的差异，揭示风沙边界层湍流结构对特征粒子群轨迹形成过程的调节和控制机制。研究特征粒子群冲击强度的流向分异趋势，阐明沙波纹峰谷分化与特征粒子群冲击强度流向分异趋势的联系，确定沙波纹波长的物理意义，揭示湍流结构对特征粒子群轨迹及沙波纹形成的调节和控制机制。该研究对进一步理解气固两相流耦合机制和风速输运时空变化的成因以及风沙预报有着重要的意义。

长期以来学术界关于沙波纹的几何尺度及形成机制的认识还存在着争论。蠕移和跃移距离被用来解释沙波纹的波长，但是蠕移和跃移的几何尺度在风沙流中具有多样性的特征，而在一定风沙流环境下沙波纹的尺度确是比较稳定的常数。沙波纹峰谷结构被认为是沙面随机存在的起伏的斜坡而导致跃移粒子冲击强度在迎风坡和背风坡差异所致，迎风坡溅射肢解而背风坡沉积。此机制可能适合解释沙波纹峰谷结构形成后冲击强度流向分异所导致的沙波纹的合并与增长过程，但对最早出现峰谷分化的原因是不容易解释的。近年来数值模拟也表明沙波纹是可以在平坦沙面上开始形成的，这是意味着斜坡假说不能提供沙波纹早期演化的机制问题。鉴于此，本研究利用数字高速摄影技术在风洞环境下研究了沙波纹早期演化过程中波峰和波谷处的粒子输送、沉积、粒-床碰撞过程以及粒子的溅射特征及其流向变化趋势。 结果表明沙波纹早期演化经过平坦沙面-麻点沙面-早期的波峰和波谷-波谷和波峰的合并碰撞-更高风速下稳定沙波纹等阶段。早期波峰和波谷几何尺度约4 mm, 此尺度与跃移粒子和床面划擦尺度接近。跃移粒子入射-反弹过程中与床面接触、冲击和划擦成为沙面峰谷分化的可能机制之一。跃移粒子划擦效应对应着跃移粒子水平动能亏损和垂直动能平衡流向变化过程。沙纹尺度是跃移粒子划擦尺度及其水平和合动能流向损失的尺度。跃移粒子在波峰和波谷处的入射率和溅射率存在瞬时差异，在整个沙纹演化过程中，波谷处溅射粒子数略高于波峰处，导致沙纹的峰谷分化。 跃移粒子划擦和溅射效应导致了沙波纹早期峰谷的分化。本研究不但丰富沙波纹形成机制的相关理论，还为进一步理解高分辨率的湍流动量输送和输送率关系提供了参考。