水下新月沙丘稳定形态和自吸引效应实验研究.pdf

摘要 摘要 新月沙丘是单一来流作用下形成的简单沙丘构型，因其具有自组织演化和高效迁移 特性而获得重要关注。新月沙丘的迁移运动所引起的沙埋危害以及所关联的沙漠化扩张 一直是流沙治理工程中需要重点考虑的关键问题。自然风场新月沙丘完整演化迁移所需 时空尺度过大，而风洞环境下所获取的缩尺新月沙丘又难以复现其稳态迁移运动过程。 为了完整且有效地揭示新月沙丘的形态动力特性，本文尝试以水介质替代风介质，以高 密度水体环境作为沙丘构型的缩尺手段，开展水下沙丘自演化迁移行为的实验研究。 实验立足闭式循环水洞平台，基于可控水流流速调节系统，分别设置定常流速和非 定常正弦变化流速的实验来流工况。以质量相同的三角形、正方形和圆形作为沙丘发育 的初始沙源构型，通过光学相机以仰视角度记录并获取不同来流和沙源工况下的沙丘演 化进程的动态时序图像。通过开发基于 Matlab 代码平台的图像提取后处理算法，实现 对沙丘宏观轮廓图像的精确对比解析。 研究表明，定常水流条件下，三种不同初始构型的沙堆均能复现出新月沙丘。其中， 三角形首次复现新月构型的速度最快，圆形次之，正方形的最慢。这是由于三角构型的 流形效应有效减少了沙丘表面发生横向运动的沙粒数量。三种形状沙源演变成的新月沙 丘的轮廓曲线经无量纲化后，表征新月形状的特征点均重合。这本质上印证了定常水流 作用下，新月沙丘在“流向-展向”维度上具有自吸引效应。 与定常水流条件相类似，在非定常水流条件下，三种不同初始构型的沙堆同样能够 复现出新月沙丘，且稳定新月沙丘同样表现出了在“流向-展向”维度上的自吸引效应。然 而，与定常实验结果存在差异的是，非定常水流条件下首次复现新月构型从快到慢的初 始沙堆形状排序依次是三角形，正方形和圆形。这可能是由于非定常正弦流速的波动特 性加速了具有棱角特性沙堆的演化进程。 关键词：新月沙丘，自吸引效应，水洞实验，非定常，定常 I 目录 目录 摘要 I ABSTRACT II 第一章 绪论 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究现状 2 1.2.1 风成新月沙丘 3 1.2.2 水下新月沙丘 7 1.3 本文研究目的和内容 14 1.3.1 研究目的 14 1.3.2 研究内容 15 第二章 实验装置及数据处理方法 17 2.1 循环水洞实验台 17 2.1.1 循环水洞 17 2.1.2 初始沙堆模具 18 2.1.3 控制系统 19 2.2 数据处理方法 21 2.2.1 Matlab 简介 21 2.2.2 图像预处理 22 2.2.3 新月沙丘形貌分析法 27 2.3 小结 28 第三章 沙丘自吸引效应的定常实验 29 3.1 实验条件 29 3.2 图像数据采集 30 3.3 实验数据处理及分析 30 V 西北大学硕士学位论文 3.3.1 偏斜校正 30 3.3.2 新月沙丘迁移演化过程分析 31 3.3.3 稳定构型新月沙丘特征分析 34 3.4 小结 35 第四章 沙丘自吸引效应的非定常实验 36 4.1 实验条件 36 4.2 实验数据处理及分析 36 4.2.1 新月沙丘迁移演化过程分析 36 4.2.2 稳定构型新月沙丘形状特征分析 38 4