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《兰州大学》 2011年
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非定常风场中的风沙流演化过程研究

王萍  
【摘要】:由于大气边界层的湍流特性,近地表跃移风沙流呈现出强烈的时空变化,因此,研究非定常风场中的风沙流不仅有助于理解风沙运动机理,还可以获得野外实际风场条件下风沙流宏观物理量的定量变化规律,对风蚀与沙尘预报等具有重要意义。本学位论文针对非定常风场中的跃移JxL沙流开展了野外观测与数值模拟方面的研究。首先,根据野外频率为1Hz的风速与输沙强度的观测数据揭示近地表非定常风场和间歇性输沙的特征以及二者之间的关系,进而在已有定常来流风场下的稳态风沙流模型的基础上,建立非定常风场中的非平稳风沙流模型,数值模拟非定常风场下的风沙流演化过程,从而给出风沙流中各物理量的变化规律,并分析风速变化参数的影响,最后给出了包含平均风速与风速脉动方差的近地表单宽输沙率预测公式,主要研究内容如下: 1)在甘肃省民勤荒漠一绿洲过渡带开展近地表风沙流的野外观测,测量沙尘暴期间的不同地表的单宽输沙率以及流沙地表的同步风速和输沙强度等;对地表2米以下不同高度的风速和5厘米高度的输沙强度进行统计分析,给出输沙强度对风速变化的滞后时间,分析输沙强度随平均风速和风速脉动的变化规律以及起动风速以下的跃移输沙;根据测量地表参数和单宽输沙率结果,检验风蚀预报系统WEPS对民勤荒漠绿洲过渡地带地表的适用性,分析WEPS不适用于民勤地区的可能原因。 2)在已有考虑风.沙耦合作用的稳态风沙流模型的基础上,考虑来流风场为非定常情形,建立非平稳风沙流模型,模拟跃移风沙流演化过程;在周期来流风场中定量分析风沙流中沙粒运动轨迹、床面起跳沙粒数及其速度分布、单宽输沙率等的变化,以及风速变化参数的影响。结果表明,来流风速变化将导致沙粒运动轨迹、床面起跳沙粒数、起跳沙粒速度分布等物理量的相应变化,进而影响风沙流的响应时间和输沙率等;风速变化的振幅、周期、波形均会对风沙流产生影响:在非定常来流条件下,即使平均风速等于或略小于理论的起动风速,输沙率也并不为零;由此进一步发现,非定常来流风场下的风沙流的起动风速低于定常来流情况。 3)根据野外实际测量风速谱预测随机风速时间序列,模拟跃移输沙强度,并与实测结果进行比较;在此基础上,模拟不同平均风速和脉动条件下的风沙流演化过程,分析统计时间对单宽输沙率结果的影响,以及风沙流单宽输抄率随平均风速和风速脉动方差的变化规律,首次尝试提出了考虑平均风速与湍流度的风沙流输沙率预测公式;这一公式区别于已有仅采用摩阻风速预测输沙率的方法,不仅能体现平均风速的影响,一伺时也考虑了实际风速的非定常特性。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:O357.5

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