风成沙貌动力学行为与数值模拟研究

【摘要】：风吹地表沙粒,形成风沙流。风与风沙流对地表物质的吹蚀,搬运和堆积作用,称为风沙作用;在风沙作用过程中所形成的地貌,称风成地貌。风沙流动与沙貌生成是沙漠地区里一种最普遍的沙面运动形式,其演变过程与气流场的运动特征和沙面地表的物质组成密切相关。沙物质在风力作用下,不仅出现了搬运和堆积情况,还会形成各种沙纹形态。因此,沙纹是沙漠地区地表最基本的地貌形态。虽然沙纹的几何图案是有规则的且一般主要表现为迎风面缓,背风面陡,但由于自然环境的变化,其形态又决不是整齐的。风与不同沙粒之间的相互作用使得沙纹的形状和内部构造变得非常复杂和多样。 关于风沙运动的研究以前是以野外观测和风洞试验为主导的,主要是将沙纹形态及其形成过程与沙粒运动相结合,应用流体力学理论将沙纹研究从定性描述改变为比较完整的理论体系。随着测试手段和计算机技术的不断发展,数值计算方法逐渐成为研究风成沙貌形成机理的主要手段。考虑到沙纹的多变与复杂性,数值模拟技术在建立沙粒的运动方程,在此基础上进行数值模拟计算,并将计算结果和实验数据进行比较等方面带来了很大的方便。 本文为了研究风沙运动所引起的沙漠化问题,详细研究了在气流作用下产生的风沙运动的基本理论并建立了风沙流场的数学模型。首先根据流体力学理论阐述了气流场的本构方程,分析了气流场和沙流场的牵连关系和独立性,然后从动力学角度出发在考虑沙粒的跳跃,蔓延,崩溃和悬浮等基本运动形式的情况下,进一步深入地分析了沙流场及其本构方程式的建立过程,给出了风沙流场的数学模型。最后,对气流场和沙流场的数学模型进行离散化处理后进行了数值计算。风沙运动是比较复杂的颗粒之间的运动,所以利用现有的商用软件很难达到计算风成沙貌过程的目的。本文通过计算机编程模拟了不同模型和不同边界条件下的沙纹生成、增长、变化过程和沙漠公路,沙漠中的植被等比较复杂障碍物对沙貌生成过程的作用并将数值模拟结果与现场观测结果进行了对比分析。