12 / 2022-05-23 15:36:43

沙丘系统稳态追逐迁移行为的动力学分析

新月沙丘,追逐模式,稳定性,水洞实验,尺度律

风沙迁移是行星地表最为典型的物质输移和能量交换过程之一，是风蚀、荒漠化以及沙尘暴等风沙灾害发生的根本原因。其中新月沙丘分布于沙漠、海底甚至火星表面，具备较快的迁移速度，一直以来都是研究的重点。在沙漠中，新月沙丘常以集群方式出现，这些尺寸不一的沙丘以相似速率迁移，即两两沙丘之间保持着相对稳定的“追逐”模式。在这一非接触式过程中，沙丘间的流动结构无疑成为维持沙丘系统整体稳定的关键因素。本文从流体动力学角度出发，通过水洞实验和数值模拟针对双沙丘“追逐”模式展开研究，发现下游沙丘外侧“环抱”状涡结构会对其自身迁移产生“阻滞”效应，该效应与两沙丘间流动结构产生的“排斥”效应以及沙丘因质量差别而产生的速度差效应相互平衡，实现了沙丘的稳态追逐迁移行为。此外，对沙丘“追逐”系统的表征及动力参数进行归一化，建立了相应的尺度律表达，并通过实验进行了验证。研究结果为沙丘系统迁移过程的整体稳定性提供了一套完整的流体动力学解释。