沙粒级配对沙波纹形态影响的风洞实验研究

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00088

摘要/Abstract

摘要：

风成沙波纹是风在沙质地表塑造的呈波状起伏的微地貌，其形态特征主要受风速和粒径的影响，然而很少有研究关注沙粒级配的作用，因此对于影响沙波纹形态因素的认知并不全面，数值模拟等研究方法的发展大大受限。基于风洞实验，设置了9组粒度配比下的沙波纹形态观测，并利用Matlab软件提取特征参数，再对沙波纹的发育过程、饱和形态进行了分析，期待对以往研究予以补充，并提供实验数据与对比参考。结果表明：（1）沙床颗粒中存在30%以上的相对细沙，可以有效促进沙波纹的形成；相对粗沙的存在，使得沙波纹波长和沙波纹指数的上限增大。（2）沙粒级配因素的介入，影响了沙波纹发育过程的复杂程度，使得到达稳定饱和阶段的时间并不随着风速的增加而线性减小。（3）当风速增加时，双粒径和三粒径混合沙形成的沙波纹形态的复杂性和不均匀性更加显著；细沙∶粗沙=1∶1的粒度配比可以更快地到达稳定，并更好地保持平衡；在等比双粒径的组别中，细沙∶中沙=1∶1的粒度配比有利于沙波纹的发育与发展；非等比双粒径条件下的沙波纹，表现出迎风坡波长小于背风坡波长的特点；非等比双粒径和等比三粒径的组别可以更好地在高风速条件下发展。

关键词: 风成沙波纹, 沙粒级配, 形态, 风洞实验

Abstract:

Aeolian sand ripple is a wavy microtopography caused by wind on a sandy surface. Its morphological features are mostly governed by wind speed and particle size. However， few studies have investigated the influence of sand particle size distribution. As a result， the understanding of the elements influencing the morphology of sand ripples is incomplete， and the development of numerical simulation and other research methodologies is severely constrained. This research， which is based on wind tunnel experiments， sets up nine groups to observe the morphology of sand ripples at different particle size ratios. It utilizes Matlab software to extract the characteristic parameters of the sand ripples and examines their development process and saturation morphology. It is expected to provide experimental data and a comparative reference， supplementing the previous work. The following are the primary conclusions：（1） More than 30% of relatively fine sand can effectively promote the formation of sand ripples. The presence of relative coarse sand raises the upper limit of the sand ripple wavelength and sand ripple index. （2） The intervention of sand gradation parameters affects the complexity of the development process of sand ripples， so that the time to reach the stable saturation stage does not decrease linearly with the rise of wind speed. （3） The sand ripples created by the two- and three-size mixed sands become more intricate and inhomogeneous as the wind speed increases. The particle size ratio of fine sand to coarse sand is 1∶1， which allows for faster stability and better balance. In the group of equal ratio and double particle size， the particle size ratio of fine sand to medium sand = 1∶1 promotes the formation and growth of sand ripples. The sand ripple under non-equivalent double particle size conditions reveals that the windward slope has a shorter wavelength than the leeward slope. Under high wind speeds， the non-equal ratio double particle size and equal ratio three particle size groups can develop more effectively.

Key words: aeolian sand ripple, particle size distribution, morphology, wind tunnel experiment

中图分类号:

P931.3

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图/表 14

图1 风洞实验示意图

Fig.1 Layout of the instrumentation for the wind tunnel experiment

图2 柴达木盆地沙漠沙波纹卫星影像（A，资料来源于Google Earth）和实地照片（B~D）

Fig.2 Satellite aerial image （A， Image from Google Earth） and field photos （B-D） of sand ripples in the Qaidam Basin， China

表1 沙粒级配（%）设置

Table 1 Particle size distribution（%） of experiment

组别	细沙（<0.25 mm）	中沙（0.25~0.5 mm）	粗沙（0.5~1.0 mm）
No.1	100
No.2		100
No.3			100
No.4	50		50
No.5	50	50
No.6		50	50
No.7	70		30
No.8	30		70
No.9	33.3	33.3	33.3

图3 激光照射沙床面的真实图像（A）和沙波纹波高计算示意图（B）

Fig.3 Real image of sand bed irradiated by laser （A） and calculation diagram of sand ripple height （B）

图4 各组沙粒级配的粒度频率分布曲线

Fig.4 Grain size frequency curves of particle size distribution in each group

表2 实验结果汇总

Table 2 Summary of experimental results

分类	组别	沙粒级配	平均粒径M_z/μm	分选系数σ	风速V₁/(m?s^-1)	风速V₂/(m?s^-1)	风速V₃/(m?s^-1)	风速V₄/(m?s^-1)
单粒径	No.1	细沙(<0.25 mm)100%	101.0	1.619	9.0	10.5	12.0	15.0
	No.2	中沙(0.25~0.5 mm)100%	345.1	1.376	\\	\\	\\	\\
	No.3	粗沙(0.5~1.0 mm)100%	856.5	1.349	\\	\\	\\	\\
等比双粒径	No.4	细沙50%＋粗沙50%	176.0	2.266	\\	10.5	12.0	15.0
	No.5	细沙50%＋中沙50%	193.5	1.993	9.0	10.5	12.0	15.0
	No.6	中沙50%＋粗沙50%	440.7	1.536	\\	10.5	12.0	15.0
非等比双粒径	No.7	细沙70%＋粗沙30%	135.3	2.000	\\	10.5	12.0	15.0
非等比双粒径	No.8	细沙30%＋粗沙70%	353.9	2.739	\\	\\	\\	\\
等比三粒径	No.9	细沙33.3%＋中沙33.3%＋粗沙33.3%	283.2	2.247	9.0	10.5	12.0	15.0

图5 沙波纹的形成和发展过程（以No.1在12.0 m?s-1风速下为例）

Fig.5 Formation and development process of sand ripples （take No.1 and 12.0 m?s-1 as an example）

图6 各组沙波纹到达稳定饱和阶段的时间

Fig.6 Time to saturation in each group

图7 沙波纹波长随时间变化

Fig.7 Temporal change of ripple wavelength

图8 沙波纹波高随时间变化

Fig.8 Temporal change of ripple height

图9 稳定饱和阶段的沙波纹指数与沙波纹对称指数

Fig.9 Ripple index and ripple symmetry index of saturation stage

图10 沙波纹移动速率随时间变化

Fig.10 Temporal change of propagation velocities

图11 稳定阶段沙波纹平均移动速率随风速变化

Fig.11 Mean propagation velocities of sand ripples changes with wind speed

图12 饱和阶段沙波纹截面形态图

Fig.12 Sand ripple profiles at saturation stage

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