栅栏沙丘表面流场的二维数值模拟

数值模拟是研究风沙地貌形态动力学和风沙工程工作原理的有效途径.本文利用数值模拟方法,通过对比不同的迎风坡度以及迎风坡上部设置阻沙栅栏条件下的沙丘近地面流场特征,讨论了沙区道路防护体系前沿"栅栏沙丘"形成发育的流场条件.结果表明,随沙丘迎风坡坡度增大,背风坡回流区变高、变长,且坡度15°后背风坡回流区流场基本不再变化.沙丘迎风坡阻沙栅栏的影响主要体现在气流的提前分离及其背风侧小涡的形成,回流区范围因叠加而变得更高、更远.这种流场变化特征对沙丘表面风沙过程具有显著影响,是形态趋于高大、断面趋于对称的栅栏沙丘形成发展的原因所在.     

幂律流体流流动指数对其湍流流动的影响

考虑到幂律流体的本构关系,结合流动指数的影响,建立了适用幂律流体的Ｎ－Ｓ动量方程和湍流模型方程。采用压力耦合半隐式ＳＩＭＰＬＥ算法,对不同流动指数的幂律流体湍流流动进行了数值计算,计算结果与实验数据比较吻合,对计算结果进行分析后发现,对于不同流体指数的幂律流体,其湍流流动的变分趋势不同,从而揭示了幂律流体的流动指数对其湍流流动有重要的影响。     

地表过程与可持续发展研究进展与展望

自2007年地表过程与资源生态国家重点实验室批准建设以来,围绕地表多要素、多尺度和多过程及其资源生态效应,开展了基础性和面向国家需求的系统研究．总结实验室15年来的建设和发展,取得的主要成果如下:1）地表过程监测与研究,包括风沙过程、土壤侵蚀过程和生态水文过程等的观测系统与大型模拟设施建设,以及理论突破与应用;2）资源生态研究,包括生物多样性维持机制、植被-环境系统互馈及生态参数测量、景观生态与服务等方面的理论与应用实践;3）人-地系统动力学研究,包括环境演变与人类活动、人-地系统动力学模型与模拟2方面的探索;4）区域可持续发展范式,包括土地利用/覆盖变化（LUCC）和综合自然灾害风险2个方面取得的显著成果．面对国家重点实验改革与重组,展望未来,将围绕地表过程与可持续发展,开展更加有组织的、面向系统性解决方案的科学探究,核心目标是研究生态脆弱区和灾害高风险区人-地系统耦合理论与区域高质量发展路径．主要任务:1）通过构建天空地网一体化观测体系,系统开展从“山水林田湖草沙冰”等要素过程到生命共同体的综合研究;2）通过研发实验和模拟装置,揭示水土气生人相互作用的机制与动力学过程,构建多要素、多过程、多尺度的地表动态模型体系,揭示人地系统耦合机制与过程;3）以承接系统性国家级科研任务,解析人与自然系统互馈机制和关联效应,建立区域高质量发展监测、评估和预警体系,服务于制定区域与国家生态文明建设的长远战略．      

宾汉流体与颗粒间的密相两相湍流研究

参照密相液固两相湍流方程，并考虑到宾汉流体的本构关系，建立了描述汉流体与颗粒间的两相湍流流动的控制方程，编制了计算程序，为数值计算奠定了理论基础，采用IPSAR（Inter Phase Slip Algorithm Revised）算法，对直圆管内的宾汉流体与颗粒间的两相湍流流动进行了数值计算研究。结果表明：在直圆管中，颗粒相的速度分布比较均匀，且其在壁面处高于宾汉流体，随着屈服应力的增加，两相主流速度均减小，同时宾汉流体动能有减小的趋势，而颗粒相体和浓度则呈现出增加的趋势，因此宾汉流体的了应力及对其湍流流动有重要的影响。     

类土壤地表颗粒稳态输运的风洞实验研究

通过风洞实验研究了由细沙粒和粗粉粒组成的类土壤颗粒的风力输运过程，实验发现沙粒的质量流量廓线与粉粒的质量流量廓线形式完全不同，在对数一线性坐标中沙粒廓线为直线而粉粒廓线呈3次曲线型，发现粉粒的存在对沙粒的质量流量廓线斜率没有影响，只是改变了沙粒的总输沙率，根据粉粒对沙粒输运特性影响的不同，粉粒质量分数存在一临界值，对于本实验中所用材料此临界值为15％，在低于此临界值时，输沙率随粉粒的质量分数的增大而增大；当高于此临界值后，输沙率随粉粒的质量分数的增大而减小，实验中沙波纹的高度和波长随风速及粉粒的质量分数的增大而增大，而当粉粒的质量分数超过15％时沙波纹消失。     

风沙跃移中颗粒冲击起动的数值模拟

采用考虑颗粒碰撞的Euler-Lagrange数值模拟方法,对风沙跃移中颗粒冲击起动过程进行了数值计算.在模型中,把气相视为连续介质,在Euler坐标中建立控制方程,对离散颗粒采用Lagrange方法模拟,颗粒间的相互碰撞作用采用软球模型描述.计算结果表明该模型可以模拟出风沙运动中颗粒冲击床面的动态起跳过程,并且与均匀平整床面相比,在非均匀床面上的颗粒更易碰撞起跳,也更具有随机性.这进一步揭示了风沙运动中颗粒碰撞起跳机理.     

新月形沙丘表面粒度特征对沙丘发育规模及风向变化的响应——以塔克拉玛干沙漠东南缘新月形沙丘为例

以塔克拉玛干沙漠东南缘新月形沙丘为研究对象,分析3个不同发育规模和相反风向作用后沙丘表面沉积物粒度参数,得出以下结论:1）新月形沙丘表面沉积物以砾石和极粗沙为主,二者总占比79.09%,与之对应的,沉积物概率累积曲线多以蠕移质为主,其次为跃移质．沙丘形态及其表面微地貌变化,使得沉积物粒度特征在沿风向的不同断面呈现3种模式:迎风坡脚最粗、沿迎风坡经丘顶/脊线至背风坡脚逐渐变细,分选丘顶/脊线最好、由此分别至迎/背风坡脚变差;迎风坡上/下部最粗、由此至迎/背风坡脚变细,分选丘顶/脊线最好、由此至迎/背风坡脚变差;迎风坡上/下部最粗、由此至迎/背风坡脚变细,分选迎风坡脚最好、沿迎风坡经丘顶/脊线至背风坡脚变差．2）随沙丘高度增加,迎风坡和背风坡沉积物先变细后变粗,丘顶/脊线逐渐变粗,但分选性均变好;两翼角沉积物粒径差值增大,粒径粗、分选好的短翼角变为长翼角．3）相对于区域主风向（NE）,反风向（SW）作用后,迎风坡沉积物变细、分选变差,丘顶变粗、分选变好,背风坡脚变细、分选无明显变化．迎风坡表面和背风坡脚细沙、极细沙和粉沙总占比增加,砾石和极粗沙总占比减少;丘顶正相反．      

植株形态对单植株前后风速变化影响的风洞实验

为了评估不同植株形态对单植株防风能力的差异，本文在风洞中测量了5种不同形态的单植株模型（细长柔性植株、上大下小状柔性植株、2种树状刚性植株和刚性圆木棒）在3种来流风速下，植株前后风速的变化. 结果表明:来流风速对柔性植株下风向相对风速恢复曲线有显著影响，而对刚性植株模型的影响很小； 植株的1/2高度处树状刚性植株的平均防风效应和防护距离一般大于柔性植株；植株迎风面宽度随高度的变化是影响不同高度处风速衰减程度的一个重要因素.      

风沙流中沙粒速度分布的实验研究

采用相位多普勒粒子分析仪（phase Doppler particle analyzer,PDPA）测量了风沙两相流动中沙床面上沙粒碰撞和起跳速度概率分布以及不同高度处沙粒速度概率分布．结果表明,沙床面上沙粒碰撞和起跳速度概率分布均可用对数正态分布函数描述,碰撞和起跳角度均可用指数分布函数描述．沙粒平均碰撞角度为28°-39°,平均起跳角度为30°～44°,平均起跳速度为平均碰撞速度的0．81～0．9倍,向后碰撞沙粒占总碰撞沙粒的比例为0．05～0．11,向后起跳沙粒占总起跳沙粒的比例为0．04—0．13．沙粒水平速度概率分布在4mm高度处表现为正偏斜类型,在20mm高度处沙粒水平速度的变化范围更加广泛,在80mm高度处沙粒水平速度变化范围小于20mm高度处的变化范围．沙粒垂直速度概率分布在不同高度处均可表示为正态分布函数．