干旱区生态环境知识资源中心(Arid): 风沙运动的多场耦合特性及规律的力学研究

Arid

	风沙运动的多场耦合特性及规律的力学研究
	周又和; 郑晓静; 黄宁
完成单位	兰州大学
登记(发布)日期	2013
中文摘要	本项目属应用力学学科,与物理、环境等学科密切关联。风沙运动是在大气风载作用下大量沙粒散体的集群运动,是沙漠化与沙尘暴重大环境灾害发生发展的主要成因。大量不同粒径的自然沙粒不仅受到风载、重力、地表热对流的外因作用,而且也与内生的风沙电场和湍流场发生相互作用,而所产生风沙电场还对沙漠地区的电子设备与通讯可带来严重影响。与此同时,在月球与火星的深空探测中,沙粒带电与风沙流对于探测器的着陆运动与空地通讯也会带来灾难性的危害。由于沙颗的散体性及其运动的随机性、沙粒流运动与湍流风场以及流动沙床面三者之间交织互馈多重非线性和与风沙电场的耦合作用、沙粒碰撞起跳与跨尺度的风沙流运动过程相互作用等多种复杂因素,使得对风沙流运动规律一直缺乏有效的揭示,已成为沙漠化过程研究的一重大基础力学课题。其中的非线性、多场耦合、跨尺度、随机性及其相互交织也一直是众多学科所面临的共性科学问题。本项目的主要创新为： 1、在风沙电的基础实验与数据分析研究方面,研制出能抗风沙且测量精度高的风沙电场测量仪器,对风沙流中的沙粒带电与风沙电场实现了可控条件的风洞实验,揭示出沙粒所带电荷极性成因和荷质比的变化特征;对输沙率的风洞实验结果给出了新的高精度数据处理方法与拟合公式,由此解决了多达30余种预报公式相差可达2倍而无法得到有效实验验证的问题; 2、在风沙流的基础力学模型与定量研究方面,提出了预测沙粒起跳初速度的颗粒-床面随机碰撞模型与风沙流的沙粒空中碰撞模型,建立了考虑力-热-电耦合的风沙流多场耦合非线性理论模型与定量分析方法实现了从沙粒碰撞起跳到形成风沙流的整个发展过程的有效预测; 3、在风沙电影响的基础研究方面,揭示出了风沙电对风沙流发展过程的影响规律;在考虑沙粒带电后,拓展建立了沙尘暴对无限电波衰减影响的散射模型,由此解决了强沙尘暴对无线电波衰减的理论预测与实测结果之间长期存在很大差异的成因问题,进而揭示出风沙流中的沙颗是局部带电的。上述研究形成了对沙尘输运过程的基础实验与理论研究相结合的一条合理、完整、可行的新的研究路线,有力地推进了散体颗粒运动力学与风场连续介质力学的有机结合,拓展了气-固两相流体动力学的理论框架和分析方法,提升了对具有随机性、多场耦合、跨尺度、非线性复杂系统等科学共性问题的认知。在本项目基础上,建成的沙尘暴阵列式野外观测站实现了包含风沙电场等多物理量的同步实时测量和高达3万伏特/米的风沙电场的新特征;所拓展建立的沙丘场形成演化的跨尺度模型,已应用于防沙治沙工程有效性评估与优化设计的示范工程研究中;有关风沙电的研究也为国防某型产品测试过程中突遇沙尘暴所导致测试信号中断需查出其原因的“故障归零”提供了成功的咨询服务。本项目组所属兰州大学“西部灾害与环境力学教育部重点实验室”,其研究成果推动了“复杂环境与介质相互作用的非线性力学”研究项目入选国家自然科学基金委创新群体。所列10 篇代表性论文他引500余次、SCI他引335次,获国家发明专利9项和美国PCT发明专利2项,并发起和主办“国际理论与应用力学联合会(IUTAM)IUTAM Symposium高级别国际学术会议”、“高雷诺数湍流国际研讨会(International Workshop on High Reynolds Number Turbulence)”会议。所提出的新方法与研究成果获得了国际地理、大气、物理和制药等领域学者的大篇幅正面引用和直接采用,包括国际颗粒物理著名学者、《International Journal of Modern Physics C》和颗粒物质类顶尖专业杂志《Granular Matter》的主编Hans J Herrmann教授和我国气象和沙尘暴研究的曾庆存院士等著名学者。被评价为取得了“remarkable achievements”和“a very significant contribution to the physics of wind-blown sand”。
中文关键词	风沙运动 ; 多场耦合特性 ; 力学研究
成果类型	基础理论
语种	中文
国家	中国
中图法分类号	P425.55
URL	http://dbpub.cnki.net/grid2008/dbpub/detail.aspx?dbcode=SNAD&dbname=SNAD&filename=SNAD000001739004
来源机构	兰州大学
资源类型	成果
条目标识符	http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/243176
推荐引用方式 GB/T 7714	周又和,郑晓静,黄宁. 风沙运动的多场耦合特性及规律的力学研究[Z]. 基础理论,2013.