新月形沙丘表面流场特征

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00168

摘要/Abstract

摘要：

目前对新月形沙丘表面流场尤其是涡流区的复杂流动结构缺乏全面的认识，新月形沙丘形态特征和来流风速对流场结构的影响需进一步研究。利用CFD数值模拟的方法，采用RNG k-ε湍流模型，研究了在不同几何参数和来流风速下新月形沙丘表面的流场特征，重点研究了背风侧涡流区的流动特征及范围与沙丘几何参数和来流风速的关系。结果表明：新月形沙丘高度越高、迎风坡坡度越大，其尾流涡流区长度越长，长度为沙丘高度的5~7倍；来流风速对尾流附着点的位置影响较小，不同来流风速导致的涡流区长度为沙丘高度的6~7倍；来流风速越大，尾流保护区长度越短，沙丘对流场的干扰范围越小。本研究深入解析了流场对新月形沙丘形态的塑造作用，进一步从流场的角度印证了新月形沙丘翼角下游小新月形沙丘形成的成因。

关键词: 新月形沙丘, CFD, 三维流场, 来流风速, 尾流涡流区

Abstract:

At present， there is a lack of comprehensive understanding of the surface flow patterns over barchan dunes， especially the complex flow structure in the vortices zone， and thus further research is needed on the influence of morphological characteristics and flow velocity on the flow structure of barchan dunes. In this paper， the airflow characteristics over the surface of barchan dunes under different geometric parameters and different inlet velocities were studied using the CFD （Computational Fluid Dynamics） numerical simulation and the RNG k-ε turbulence model， focusing on the flow characteristics of the leeward side vortices zone and the relationship between its range and the geometric parameters of the dunes and the inlet velocities. The results show that：（1） The higher the height of the barchan dune， the larger the length of the wake vortices zone is， approximately 5-7 times the height of the dune. （2） The greater the gradient of the windward slope of the barchan dune， the greater the length of the wake vortices zone is， approximately 5-7 times the height of the dune. （3） The influence of inlet velocity on the position of the reattachment point is quite limited， and the length of the vortex zone caused by different inlet velocities is about 6-7 times the height of the dune， suggesting that the larger the inlet velocity is， the shorter the length of the wake protected zone and the smaller the disturbance of the dune on the flow can be found. This study comprehensively analyzes the shaping effect of the flow patterns on the shape of barchan dunes and further confirms the cause of the formation of small barchan dunes on the downstream of the horns of the upwind barchan dunes. Collectively， the current results can deepen the understanding of the evolution mechanism of barchan dune formation， and enrich the basic theory of aeolian geomorphology.

Key words: barchan dunes, CFD, 3D flow field, inlet wind velocity, wake vortex zone

中图分类号:

P931.3

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图/表 11

表1 5种不同尺度的网格详情

Table 1 Mesh details at five different scales

网格	第一层网格高度/m	网格数
网格1	0.05	401 813
网格2	0.025	436 577
网格3	0.0125	614 183
网格4	0.00625	825 661
网格5	0.003125	1 213 342

图1 网格对风速计算结果的影响

Fig. 1 The effect of the mesh on the calculation results

图2 野外风速仪布设示意图及实测数据与CFD数值模拟的对比

Fig. 2 Layout diagram of field anemometer and the comparison of field measurement and CFD numerical simulations

表2 CFD模拟实验参数

Table 2 Parameters of the CFD simulation experiments

不同沙丘高度
高度/m	迎风坡坡度/（°）	迎风坡长度/m	背风坡坡度/（°）	背风坡长度/m	翼长/m	沙丘宽度/m	摩阻风速/（m·s^-1）
1.20	15.00	6.81	34.00	1.78	4.80	12.00	0.50
1.60	15.00	9.07	34.00	2.37	6.40	16.00	0.50
2.00	15.00	11.34	34.00	2.97	8.00	20.00	0.50
2.40	15.00	13.61	34.00	3.56	9.60	24.00	0.50
2.80	15.00	15.88	34.00	4.15	11.20	28.00	0.50
3.20	15.00	18.15	34.00	4.74	12.80	32.00	0.50
3.60	15.00	20.42	34.00	5.34	14.40	36.00	0.50
4.00	15.00	22.69	34.00	5.93	16.00	40.00	0.50
4.40	15.00	24.95	34.00	6.52	17.60	44.00	0.50
4.80	15.00	27.22	34.00	7.12	19.20	48.00	0.50
不同迎风坡坡度
高度/m	迎风坡坡度/（°）	迎风坡长度/m	背风坡坡度/（°）	背风坡长度/m	翼长/m	沙丘宽度/m	摩阻风速/（m·s^-1）
3.20	8.00	22.77	34.00	4.74	12.80	32.00	0.50
3.20	10.00	18.15	34.00	4.74	12.80	32.00	0.50
3.20	12.00	15.05	34.00	4.74	12.80	32.00	0.50
3.20	14.00	12.83	34.00	4.74	12.80	32.00	0.50
3.20	16.00	11.16	34.00	4.74	12.80	32.00	0.50
3.20	18.00	9.85	34.00	4.74	12.80	32.00	0.50
3.20	20.00	8.79	34.00	4.74	12.80	32.00	0.50
不同来流风速
高度/m	迎风坡坡度/（°）	迎风坡长度/m	背风坡坡度/（°）	背风坡长度/m	翼长/m	沙丘宽度/m	摩阻风速/（m·s^-1）
3.20	15.00	18.15	34.00	4.74	12.80	32.00	0.30
3.20	15.00	18.15	34.00	4.74	12.80	32.00	0.35
3.20	15.00	18.15	34.00	4.74	12.80	32.00	0.40
3.20	15.00	18.15	34.00	4.74	12.80	32.00	0.45
3.20	15.00	18.15	34.00	4.74	12.80	32.00	0.50
3.20	15.00	18.15	34.00	4.74	12.80	32.00	0.60
3.20	15.00	18.15	34.00	4.74	12.80	32.00	0.70
3.20	15.00	18.15	34.00	4.74	12.80	32.00	0.80
3.20	15.00	18.15	34.00	4.74	12.80	32.00	0.90
3.20	15.00	18.15	34.00	4.74	12.80	32.00	1.00

图3 不同工况下距离地表0.1 m处计算域中轴线上的水平风速分布（沙丘背风坡坡脚处为X轴的坐标零点）。A为不同沙丘高度工况；C为不同迎风坡坡度工况；E为不同来流风速工况；B、D和F分别为涡流区和保护区与沙丘高度、迎风坡坡度和来流摩阻风速的关系

Fig. 3 The horizontal wind velocity distribution of the axis of the calculation domain at 0.1 m from the barchan dune surface under different working conditions （The zero point of the x-axis coordinates is located in the leeward slope toe of the dune）. A： Different dune heights. C： Different windward slope gradients. E： Different inlet velocities. B， D and F are the relationship between vortex zone and protected zone and dune heights， windward slope gradients and inlet shear velocities， respectively

图4 不同高度新月形沙丘的水平速度分布云图。A~J为距地表0.1 m处平面的水平速度分布云图；K~T为沙丘中轴线纵剖面的水平速度分布云图

Fig. 4 Cloud map of horizontal velocity distribution of barchan dunes with different heights. A-J are horizontal velocity distribution cloud map at 0.1 m from the surface； K-T are horizontal velocity distribution cloud map at the longitudinal profile of the central axis of the dunes

图5 不同工况下新月形沙丘的垂直速度分布云图A~C为不同沙丘高度工况；D~F为不同迎风坡坡度工况；G~I为不同来流风速工况

Fig. 5 Cloud map of vertical velocity distribution of barchan dunes under different working conditions. A-C： Different dune heights；D-F： Different windward slope gradients；G-I： Different inlet velocities

图6 不同迎风坡坡度的新月形沙丘水平速度分布云图。A~G为距地表0.1 m处平面的水平速度分布云图；H~N为沙丘中轴线纵剖面的水平速度分布云图

Fig. 6 Cloud map of horizontal velocity distribution of Barchan dunes with different windward slope gradients. A-G are horizontal velocity distribution cloud map at 0.1 m from the surface； H-N are horizontal velocity distribution cloud map at the longitudinal profile of the central axis of the dunes

图7 不同来流风速下新月形沙丘水平速度分布云图。A~J为距地表0.1 m处平面的水平速度分布云图；K~T为沙丘中轴线纵剖面的水平速度分布云图

Fig. 7 Cloud map of horizontal velocity distribution of barchan dunes under different inlet velocities. A-J are horizontal velocity distribution cloud map at 0.1 m from the surface； K-T are horizontal velocity distribution cloud map at the longitudinal profile of the central axis of the dunes

图8 新月形沙丘表面流场结构简图

Fig. 8 Sketch of the flow field structure over the surface of barchan dune

图9 新月形沙丘周围流场三维流线

Fig. 9 Three-dimensional streamline of the flow field over barchan dune

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