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风沙运动的多场耦合特性及规律的力学研究
成果信息
立项支持
  • 公布年份:
    2018
  • 中图分类:
    S775
  • 关键词:
  • 成果简介:
    该项目属力学学科,与物理、环境等学科关联。 沙漠化与沙尘暴是备受国际关注的重大环境灾害,其表现形式是大量散体沙粒在风场作用下的集群运动,即风沙运动。由于沙粒运动的随机性以及与风场湍流和与流动沙床表面间的互馈所致的多重非线性、两相流与热对流和风沙电场的多场耦合性、沙粒碰撞地表的击溅过程与风沙流形成演化过程交织的跨尺度性,使得对风沙运动规律的认知和揭示一直是风沙物理学和沙漠化研究的难点。“能否发展关于湍流动力学和颗粒材料运动学的统一理论”是2005年《Science》列出125个重要科学问题中的第45个,而风沙运动研究作为这一问题的重要组成部分,也成为力学研究面临的一个新挑战。 主要创新点:1)在基础性实验方面,提出了改进实验测量可靠性的新方法,开创了风沙电效应的风洞实验。由所改进的方法给出的风沙流单宽输沙率解析预报公式为已有50余种输沙率经验公式的适用性提供了有效判据;风沙电效应的风洞实验揭示出沙粒所带电荷极性的尺度效应和荷质比的变化规律,并研制出体积减小十倍、稳定性和测量精度晶著提高的风沙电场测量仪,填补国内外空白;2)在基础性建模方面,建立了表征风沙运动全过程并可实现定量化预测的新的理论模型。包括预测沙粒起跳速度分布这一关键物理统计量的沙粒-沙床随机碰撞模型、计及多重非线性效应和多场耦合效应的预测风沙流形成演化的跨尺度模型和风沙流中沙粒空中碰撞模型等,以及可定量求解的方法和程序,揭示出输沙率廓线的分层特性等,显著提高了风沙流预测的精准度;3)在新现象新规律揭示方面,定量给出风沙电对风沙流形成演化过程和微波通讯的重要影响和规律,丰富了对风沙运动的理解和认知。发现沙粒带电导致风沙流发展加速、输沙率增大、微波信号显著衰减等特征,并给出了相应的影响规律,解决了理论预测与实测结果差异较大(甚至达20倍)等一些长期未能解决的问题。 上述工作形成了由基础性实验和基本模型建立以及高精度定量分析方法相结合的一条合理、完整、可行的研究路线,创新了两相流理论框架和研究手段,增进了对复杂系统随机性、非线性、多场耦合和跨尺度等的认知,拓展了力学研究的领域,提升了风沙运动研究的水平。由此指导建成了沙尘暴野外观测站,实现了包含风沙电场等多物理量的实时全场同步观测;建立了沙丘场形成演化跨尺度模型,被应用于防沙治沙工程有效性评估与优化设计;完成了国防某项目成功“故障归零”的咨询任务等。 该项目核心SCI论文46篇、英文专著1部。8篇代表作他引647次(SCI他引260次):获9项国家发明、2项美国发明专利授权;团队入选国家自然科学基金创新研究群体;多次应邀在国际学术会议和中国力学大会上做大会报告;主办IUTAM“气候变化的极端事件动力学”研讨会等国际会议;有关工作被著名学者的《Nature》和《Rep.Prog.Phys.》文章等评价是“出奇之少中的仅有的明显例外”、“最重要的模型”、“取得了显著进步”和“非常重要的贡献”等。
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