风沙跃移运动发展过程的离散动力学模拟.PDF

第 26 卷 　第 1 期 中　国　沙 　漠 Vol . 26 　No . 1 2006 年 1 月 　　　　　　　 　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 J an . 2006 J OU RN AL O F D ESER T R ESEA RC H 文章编号 : 1000694X (2006) 0 1004707 风沙跃移运动发展过程的离散动力学模拟 李万清 , 周又和 , 郑晓静 ( 西部灾害与环境力学教育部重点实验室 兰州大学 力学系, 甘肃 兰州 　730000) 摘 　要 : 采用类似分子动力学的离散方法对二维风沙跃移过程运用高性能并行计算进行理论模拟 。在本模拟模型 中,考虑了沙粒与床面的碰撞 、跃移沙粒与气流的相互作用等基本力学过程组成的复杂系统 。通过并行运算技术 使计算沙粒数达到 72000 的巨量计算得以实现 。初步结果显示 : 自然跃移运动的基本特征如风沙流层内输沙率廓 线可以较为成功的得以模拟 。 关键词 : 风沙跃移运动 ,沙波纹 ,碰撞 , 沙粒与气流耦合 ,沙粒散体 , 并行计算与模拟 中图分类号 : V2 11 + P93 1. 3 文献标识码 : A 　　风沙运动的力学机理研究一直是沙漠化物理过 性外 ,对于床面上的沙波纹却不能给出任何有用的 程研究的重点课题 , 是认识沙粒迁移 、沙漠扩展与开 信息[ 7 , 10 ] 。而在风沙活动的典型地貌即沙波纹模拟 展防沙治沙工程的基础[ 1～5 ] 。 中,An de r don 和 Haff 等人[ 15～19 ] 提出用元胞 自动机 沙粒与风的相互作用使沙粒获得能量与动量 方法来模拟沙波纹地貌 。但在模拟规则中, 其数学 后 ,在重力作用下又下落回地面 , 与床面发生碰撞 参数与实际沙波纹的风沙物理过程的物理参数和几 后 , 重新激发新的沙粒进入气流层 。目前 , 风沙流或 何参数没有直接的对应 , 使模拟的沙波纹仅只具有 风沙运动主要分为沙粒在地表面上的蠕移 、离开地 定性解释的意义 。孙其诚 、王光谦[ 18 , 19 ] 采用离散颗 表面在近地层内的跃移 、以及跟随大气流动进入大 粒动力学方法对9 000颗单一粒径沙粒的风沙跃移 气层的悬移 。除了后者在沙尘暴发生时占主导地位 发展过程进行了模拟 , 得到的沙波纹形态虽然与 自 外 , 绝大多数的沙漠化过程是与沙粒跃移运动并伴 然沙波纹在定性上具有很好的相关性 , 但在定量上 随着蠕移运动密切相关联的[ 6 , 7 ] 。 仍然没有与自然形成的沙波纹尺度相接近 , 也没有 风沙运动的研究主要分为实验研究与理论分 反映出颗粒在床面上 10 cm 内的一些其他 自然特 析[ 7～11 ] 。在理论分析中, 虽然对单一沙粒的运动可 征 , 如风速廓线 、输沙率等可测物理量 。 以采用力学分析方法建立基本的分析模式 , 但对于 ( 本文将采用分子动力学方法 即离散动力学方 数 目巨大的沙粒流而言, 如何建立反映真实风沙运 ) 法 ,在考虑沙粒与床面碰撞 、沙粒与气流相互作用 动的计算模型就一直是风沙运动物理机制研究的难 后 , 运用高性能并行计算对72 000颗 自然混合沙