火星风沙流发展演化的数值研究

摘要

火星风沙运动对当前火星地表演化过程和大气辐射有着重要的影响。所以，对于火星风沙流的深入认识将有助于人们对火星地表和大气过往历史的认识和未来发展演化的预测，也将为其他星球上的风沙运动研究提供借鉴和研究范例。本学位论文首次提出了一个沙粒起跳初值不依赖实验得到的经验或半经验分布规律、可实时反映风沙流演化、且适用于不同环境的风沙流模型。相比于现有的风沙流模型，该模型具有以下三点创新：1)将考虑冲击参数(速度和角度)对沙粒碰撞后速度恢复系数影响的粒-床随机碰撞模型引入到风沙流模型中，从而实现了沙粒起跳参数(速度和角度)的求解；2)考虑到风沙运动中沙粒跃移速度与角度的关联，采用了角度-速度依赖的条件概率统计；3)采用了包含来流风速、大气密度和粘性以及粒径的净风场中地表动力粗糙度表征。在地球条件下，本文模拟结果与实验测量结果的比较表明：要实现风沙流演化过程的定量预测需要真实地、实时地给出起跳参数而不应采用经验或半经验的起跳参数。
　　应用新建立的模型本论文进行了以下研究：1)首次分析了火星和地球风沙流中风速相关特征量(风速廓线、空气和沙粒剪切力以及动力粗糙度)和逆流向跃移运动在不同来流风速和粒径时随时间的发展演化过程；2)详细地讨论了来流风速和粒径不同时火星和地球风沙流中沙粒跃移速度、轨迹和输沙率等随时间的发展演化过程，并与已有火星研究结果进行了比较。本论文首次揭示了火星和地球起跳和冲击速度分布定性上的差异、火星壁面剪切力随来流风速增大出现的反转的现象、火星上有着比地球更高比例的逆流向跃移运动、火星和地球上(中等及更大粒径沙粒)冲击角度随来流风速增加而增大的规律；给出了火星和地球稳定风沙流中的冲击启动临界风速、Bagnold focus所在的高度及该高度处对应的风速、动力粗糙度和跃移单宽输沙率的统一表征形式；发现除起跳角度外粒径对风沙流中各物理量都影响显著，但两个星球上的平均起跳角度近似相等，随环境参数变化不显著。此外，本论文的研究说明合理描述粒-床碰撞过程是准确模拟风沙流的关键。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究进展

1.3 本论文的主要工作

第二章 包含粒床碰撞颗粒尺度解析解的风沙流模型

2.1 风沙运动问题的数学描述

2.2 风沙流模型的改进

2.3 风沙流模拟过程

2.4 模型参数

2.5 风沙流模型的验证

2.6 本章小结

第三章 火星风沙流中的风速特征量及其随时间的演化

3.1 火星风沙流冲击启动临界风速

3.2 火星风沙流风速廓线及Bagnold focus

3.3 火星风沙流空气剪切力Ta

3.4 火星风沙流动力粗糙度

3.5 本章小结

第四章 火星风沙流中的沙粒跃移速度和角度及其随时间的演化

4.1 火星风沙流中水平跃移速度及其沿高度的分布

4.2 火星风沙流中跃移沙粒的冲击速度

4.3火星风沙流中跃移沙粒的冲击角度

4.4 火星风沙流中跃移沙粒的起跳速度

4.5 火星风沙流中跃移沙粒的起跳角度

4.6 本章小结

第五章 火星风沙流中的沙粒跃移轨迹和输沙率及其随时间的演化

5.1 火星风沙流中沙粒的跃移长度

5.2 火星风沙流中沙粒的跃移高度

5.3 火星风沙流中跃移沙粒的逆流向运动

5.4 火星风沙流中的输沙率

5.5 本章小结

第六章 结束语

参考文献

在学期间的研究成果

致谢