摘要
戈壁荒漠在我国北部和西北部广泛分布，干旱多风的气候特征使得戈壁地区风沙运动（如沙尘暴）频发，给当地人民的生活生产、基础设施、交通运输乃至健康与生命造成极大危害。与沙漠相比，戈壁地表由砾石和结皮覆盖，同时所在区域的环境风速更为强劲，因而导致戈壁地区的风沙运动表现出和沙漠地表迥异的特征，但目前大多数有关风沙流运动基础理论的研究主要针对沙床地表，人们对戈壁地表风沙流特征及其机理的认识还十分有限。 风沙运动中，沙粒以弹道跳跃形式前进的跃移运动是风沙流的主要表现形式，而跳跃颗粒与床面的碰撞过程则是维持跃移运动的重要机制。同时，研究表明地球和类地行星上的沙粒表面存在金属氧化物等构成的覆盖层。覆盖层的存在会导致沙粒力学性能的变化进而影响粒-床碰撞的结果，并且覆盖层会在沙粒跃移运动的不断碰撞中发生脱落，使得其对风沙运动的影响更为复杂。而现有的数值模型中均将沙粒视为由单一物质构成，覆盖层及其脱落过程对风沙输运的影响鲜有研究。由于戈壁硬质的地表状态和有限的沙源环境使得粒-床碰撞过程对当地风沙流结构的影响更加显著，因此有必要深入开展沙粒覆盖层对戈壁粒-床碰撞过程以及风沙流结构影响的深入研究。 本文首先采用化学酸碱溶液溶解沙粒表面覆盖层，分析了沙粒表面金属氧化物等构成的覆盖层的溶解质量，进一步通过实验研究给出了沙粒碰撞恢复系数随覆盖层脱落质量、沙粒粒径变化的经验公式；通过沙粒与戈壁地表的碰撞实验和颗粒追踪图像处理算法，首次获得了适用于戈壁地表的粒-床碰撞击溅函数；进一步将沙粒碰撞恢复系数经验公式和粒-床碰撞击溅函数嵌入风沙输运模型，建立了戈壁风沙运动模型并定量模拟了在戈壁地表上的风沙跃移运动，分析了沙粒-戈壁地表过程对风沙流结构的影响。主要工作如下： 1.使用化学酸碱溶液对巴丹吉林沙漠、毛乌素沙漠、塔克拉玛干沙漠和黄河沿岸四个典型地区沙粒表面覆盖层进行了溶解实验；采用颗粒发射仪和高速摄影系统对四个地区溶解前、后的沙粒开展了粒-床碰撞实验；研究了沙粒的微观运动特征，发现沙粒溶解后碰撞恢复系数增加2%-9%，并给出了不同地区沙粒的碰撞恢复系数随着沙粒表面覆盖层质量和沙粒粒径变化的经验公式；通过定量分析不同覆盖层质量下的沙粒碰撞恢复系数对风沙流输沙结构的影响，结果表明随着覆盖层质量的变化风沙流风场以及输沙率等结构参数会有明显改变；2.基于上述碰撞实验平台和提出的颗粒追踪图像处理算法开展了天然沙粒 与戈壁地表的粒-床碰撞实验。结果表明结皮和砾石床面碰撞时沙粒入射速度和入射角度服从正态分布，反弹速度、反弹角度和恢复系数服从对数正态分布；戈壁床面碰撞恢复系数和沙粒反弹角度的概率密度服从对数正态分布形式；最后给出了描述戈壁地表粒-床碰撞过程的击溅函数； 3.结合以上工作给出的沙粒碰撞经验公式和戈壁地表击溅函数，对戈壁风沙流输运结构进行了数值模拟分析。模拟给出了戈壁风沙流风速廓线、输沙率、单宽输沙率、沙粒水平跃移速度、跃移长度和高度的分布特征，结果表明戈壁和沙漠地表的风沙流具有迥异的输沙结构；而地表障碍物拦截可能是导致戈壁风沙流具有典型“象鼻”效应的原因。
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