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非均匀不稳定气流场耦合的流动、半流动和固定沙漠区的数值模拟

先木西努·阿不都克力木  买买提明·艾尼  阿布都热合曼  
【摘要】:我国塔克拉玛干沙漠面积为33.7万平方公里,是我国第一大沙漠。其中流动沙丘占85%,固定半固定沙丘占15%,类型复杂,沙漠化日渐严重。气流场是沙粒流动的重要动力来源,是沙漠化的根本。所以全世界都高度重视沙漠化的机理研究问题。现实沙漠中的气流场是非均匀而不稳定,沙流场也是非均匀不稳定,这种现象在绿洲荒漠交错带更为突出。但是这方面的研究还存在许多不足之处,特别是关注气流影响和湍流特性的风成沙纹沙丘方面的研究报道较少。因此,以绿洲荒漠交错带的沙漠为研究背景,详细研究在非均匀不稳定气流场作用下的沙流场及其风成沙纹沙丘的形成机理和数值分析方法,可对沙漠化治理方面提供一定的科学依据,并具有深远的科学意义和社会效益。本文通过建立风沙流场的数学模型和编程实现了气流场和沙流场耦合的数值分析平台,并分别对均匀稳定气流场和非均匀不稳定气流场下的沙貌形成过程进行了数值模拟。非均匀不稳定气流场下的流动、半流动和固定沙漠区的数值模拟结果表明,由于在整个数值计算区域存在有非均匀不稳定气流场的影响,所以速度越大的部分风蚀也越厉害,不同的位置看到不同的沙纹或沙丘形状,在非均匀气流场下只有风速超出临界摩擦速度的区域才能产生沙纹或沙丘,而在其他区域虽然存在一定的气流场但不出现沙纹或沙丘。在均匀稳定气流场下,分别设定了流动和半流动、流动和固定、流动半流动和固定沙粒群并进行了风成沙纹沙丘的模拟,结果表明,固定沙粒相当于沙漠公路、及两侧的沙丘随风沙流移动,沙丘会随时间慢慢增大。该现象与自然情况的沙漠很接近并在流动沙粒区域产生沙纹,半流动沙粒区域容易发生沙丘,而固定沙粒区域虽存在气流场但不出现沙纹等自然现象基本吻合。

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