风成沙纹形成的风洞模拟研究

风成沙纹形成于沙质床面下游的沙粒蠕移，发展于沙粒跃移－风沙流的“波粒二重性”作用，消亡于气流与风沙流的正弦波共振。以细沙和极细沙为优势粒级的天然沙丘沙是风成沙纹形成的最佳粒配。沙纹移动速度ＶＲ是缓慢的，其数量级为１０－１ｃｍ·ｍｉｎ－１～１０１ｃｍ·ｍｉｎ－１，实验关系式为：ＶＲ＝１．５８×（ＶＬ－５．５）０．６７。

风成沙纹过程的计算机模拟

本文基于Ｂａｇｎｏｌｄ和Ｓｈａｒｐ提出的沙纹发展机理，运用离散模拟方法，考虑沙粒的跃移和蠕移过程，对风成沙纹的产生和发展进行了二维计算机模拟，得到了接近于自然情况的沙纹形态。模拟表明沙纹的产生与床面上凸起部对其下游的屏蔽作用有关，沙纹的波高Ｈ和波长λ随时间的增加而增大，增大速率逐渐减小，最后趋于某个稳定状态。床面形态发展过程中有融合现象发生，并且发现沙纹剖面也有一个发展过程。模拟沙纹的λ／Ｈ值大致为７。

自然风成沙纹的形态特征及其与地表沙物理性状的关系

为了进一步探明自然风成沙纹形态的形成、发育过程，该文通过野外观测和统计分析的方法，研究了自然风成沙纹的形态特征及其与地表沙物理性状的关系，并构建了沙纹形态特征与地表沙颗粒机械组成及容重之间的关系模型．结果表明，沙纹波长、迎风坡长、背风坡长和高度相互之间呈线性关系，与地表沙机械组成中粒径为3～1mm、1～0．25mm和0．005～0．00mm的颗粒组成之间呈多元线性函数关系，与地表沙容重之间呈三次函数关系；地表沙的平均粒径越大，其形成的沙纹越高，波长也越长；相反，平均粒径越小，其形成的沙纹越细小，波长也越短；在自然风成沙纹的形态塑造过程中，粒径为1-0．25mm的中粗沙扮演着重要角色．

风成沙纹形成过程模拟与形态分析

通过简单的跃移模型、蠕移模型和稳定模型对风成沙纹的形成过程进行了二维数值模拟研究。模拟结果表明沙纹波长和波高与床面蠕移沙粒的移动距离成正比 ,沙纹的波高随着床面的冲击密度的增加而增大 ,沙纹的稳定形态与蠕移距离大小有关。

风成沙纹数值模拟研究述评

风成沙纹的数值模拟研究已取得了不少进展,但各家所采用的模拟方法及模拟结果存在不少差异。笔者从模型构建,边界条件和初始条件的确定,算法设计以及模拟结果等方面对目前具代表性的六家沙纹数值模拟方法逐一进行了详细评述,最后提出了沙纹数值模拟研究的发展趋势。

风成沙纹发育过程中形态变化的风洞实验研究

在四种风速条件下,对沙纹形成过程中的形态变化进行了风洞实验研究,讨论了沙纹宽度、沙纹迎风坡宽度、沙纹背风坡宽度、沙纹高度和沙纹指数与风速和输沙量的关系.研究发现沙纹发育呈现阶段性特点,沙纹宽度变化与输沙量的对数值成正比,沙纹迎风坡宽度和背风坡宽度与沙纹宽度成线性关系,沙纹稳定高度与沙纹高度之差和输沙量与风速之比成负指数关系.随着风速的增大沙纹稳定高度减小.沙纹稳定高度与沙粒蠕移距离随高度变化的幅度有关.沙纹指数综合反映了沙纹宽度及沙纹高度与输沙量和风速的关系.文中给出了上述形态参数与输沙量或风速的具体函数表达式.

冲击角对风成沙纹形态影响的机理分析

采用数值模拟的方法研究了沙粒冲击角对风成沙纹形成过程及其形态特征的影响。模拟中采用了均匀和正态两种冲击角分布情况。冲击角在10°～16°范围内均匀分布时,冲击角对沙纹波高影响不大,沙纹波长随冲击角影响系数的增加略有减小;沙粒跃移冲击角在5°～25°范围内呈正态分布时,冲击角影响系数增加时沙纹波高几乎没有变化,但沙纹波长却明显减小。

风成沙纹的波高控制机理

采用数值模拟的方法研究了风成沙纹的波高控制机理 ,并与风洞实验测量结果进行了对比。在数值模拟的蠕移模型中考虑了空气动力控制因子对沙粒蠕移距离的影响。结果表明 ,随着空气动力控制因子数值的增大 ,沙纹波高和波长都先增大后减小 ;在特定的空气动力控制因子数值条件下 ,数值模拟结果可与风洞实验结果相比较 。

复杂气流场下的风成沙纹数值模拟研究

在风沙流行为的数值模拟研究中,准确建立气流场本构方程和沙流场本构方程对模拟结果的可靠性至关重要。采用流体力学经典问题之一的方腔流模型分析了不同雷诺数下方腔内的流体流动情况并与相关文献中的结果对比分析,从而验证了复杂风沙流数值模拟软件的有效性和相关算法的准确性。然后,建立了考虑野外实际情况的复杂风沙流模型,分析了不同雷诺数下该模型中的气流流动行为,并将气流与沙流场进行了多相耦合数值分析,探讨了复杂气流场对风成沙纹的形成过程及其影响因素。数值分析结果表明,气流的流向和大小是导致沙纹及其形貌各异的关键因素,这也与实际沙纹及其形貌各异性比较吻合。

长江武汉段天兴洲低滩沉积物粒度端元对河流-风成沙丘沉积环境的指示意义

河床沙波向风成沙丘演变的过程具有特殊的沉积动力机制。笔者等以68份长江武汉段天兴洲洲头低滩沉积物的粒度分布数据为例,利用端元分析方法从每个粒度分布中分离提取4个粒度端元组分(EM1、EM2、EM3和EM4),探讨了河流—风成沙丘不同沉积环境中粒度端元的异同。研究结果表明:EM1和EM3组分在粒度分布中占比与沉积物粒度中值分别呈较好的线性正相关和负相关;河流沉积物主要由EM1、EM2和EM3组成的跳跃方式搬运,对应滚动次总体的EM4组分占比5%~10%,少悬浮搬运;风成沙纹沉积物主要包括两段跳跃次总体,以EM2组分为主、EM1和EM3组分为辅,少EM4组分;沙丘背风面沉积物主要靠颗粒流顺坡滑塌,以EM2组分为主、EM1和EM3组分为辅,含占比约为5%的EM4组分;未被风成沙纹覆盖的沙丘波谷沉积物记录了河流和小型滞水洼地的沉积特征,代表滚动次总体的EM4组分占比7%~15%,悬浮次总体占比可达20%。本文提取的沉积物粒度端元为弱风环境中河道内局部小型河流—风成沙丘的沉积环境和演化过程研究提供了参考。

应用近景摄影法研究沙纹的移动

近景摄影能够在无干扰的条件下,精确地测定正在发育阶段的风成沙纹,以波动方式整体移动的平均移动速度VR(cm·min-1),和相应的沙纹波长L(cm)波高Δh(mm)及其平均值。同时,求得沙纹移动速度VR与局地风速VL之间的实验关系式为VR=1 58×(VL-5.5)0.67,沙纹移动是缓慢的,其数量级变化于10-1～101cm·min-1之间。沙纹波长与波高与直接测定值相当吻合。