风成沙纹的形成与沙的分选

风成沙丘的极小模型

Minimal model for aeolian sand dunes

本文提出了一个风成沙丘形成和迁移的极小模型。它结合了扰动描述的湍流风速场以上的沙丘与连续跃移模型，允许饱和瞬态的沙通量。后者被示出为提供特征长度尺度。该模型可以解释沙丘的重要特征的起源，如滑动面的形成，破碎的尺度不变性，以及存在一个最小的沙丘尺寸。它还预测了沙丘和堆积的纵向形状和长宽比，它们的迁移速度和形状松弛动力学。虽然极小模型采用非局部表达式的风切应力以及沙通量，它是足够简单，作为一个非常有效的工具，分析和数值研究，并开辟了道路，模拟大尺度沙漠地形。

风沙运移饱和长度的测定

Measurements of the aeolian sand transport saturation length

沙丘形态从平坦沙床上出现的波长受输沙饱和长度的控制，输沙饱和长度是沙通量适应风强度变化所需的长度。风切变速度对饱和长度和随后的沙丘初始波长的影响仍然存在争议。在这封信中，我们提出了在风洞实验中进行的饱和长度的直接测量。作为补充，在不同的风力条件下测量沙丘的初始波长，特别是在风暴之后。使用沙丘形成的线性稳定性分析，然后可以从现场数据推导出饱和长度。直接和间接的测量结果都表明，饱和长度几乎与风力无关。这表明，与侵蚀相反，颗粒惯性是限制输沙饱和度的主要动力机制。

风沙运动的颗粒尺度模拟与飞溅参数化

Grain-scale Modeling and Splash Parametrization for Aeolian Sand Transport

球形颗粒与颗粒床的碰撞通常由飞溅函数来参数化，飞溅函数提供了反弹颗粒的速度以及喷射颗粒的速度分布和数量。从基本的几何考虑和物理原理出发，如非弹性对碰撞中的动量守恒和能量耗散，我们导出了球形颗粒与颗粒床碰撞的回弹参数化。结合最近提出的预测撞击能量如何在床颗粒之间分布的能量分裂模型[Ho ${\it et\ al.}$，Phys.Rev.E85，052301（2012）]，这产生了作为撞击速度和撞击器-床颗粒尺寸比的函数的飞溅的粗粒度但完整的表征。预测的平均值的反弹角，总的和垂直的恢复，喷射速度，和喷射颗粒的数量与实验文献数据和我们自己的离散元计算机模拟非常吻合。我们提取了一组分析渐近关系浅的影响的几何形状，它可以很容易地用于粗粒度的分析建模或计算机模拟的地球物理粒子负载流。

Anomalous Scaling of Aeolian Sand Transport Reveals Coupling to Bed Rheology

Predicting transport rates of windblown sand is a central problem in aeolian research, with implications for climate, environmental, and planetary sciences. Though studied since the 1930s, the underlying many-body dynamics is still incompletely understood, as underscored by the recent empirical discovery of an unexpected third-root scaling in the particle-fluid density ratio. Here, by means of grain-scale simulations and analytical modeling, we elucidate how a complex coupling between grain-bed collisions and granular creep within the sand bed yields a dilatancy-enhanced bed erodibility. Our m…

涟漪和涟漪

Ripples and Ripples

我们研究了离子溅射过程中表面的形态演变，并将其与沙漠中风成波纹形成的动态粗糙化进行了比较。我们表明，虽然这两种现象是物理上不同的，他们必须遵守类似的几何约束，因此可以在相同的理论框架内描述。目前的理论区分原子之间的保持约束在散装和其他人是移动的表面。我们描述了挖掘机制，吸附和表面流动性的连续方程来自沙丘形成的研究。这种方法可以解释在金属或半导体和非晶系统中实验观察到的不同动力学行为。我们还表明，这种新的方法可以描述发生的波纹旋转的$(x,y)$平面引起的溅射入射角的变化。

饱和风沙运移的离散元模拟

Discrete Element Method simulations of the saturation of aeolian sand transport

饱和风沙输送长度（$L_s$）表征了风沙适应风切变变化所需的距离，是精确模拟地球风沙地貌形态动力学和解释沙丘形成和形状的基础。在过去的十年中，$L_s$与被输送的颗粒达到风速所需的特征距离（"拖曳长度“）成比例已成为一个被广泛接受的假设。在这里，我们挑战这个假设。从大量的数值离散元方法模拟，我们发现，对于中等和强风，$L_s\propto V_s^2/g$，其中$V_s$是饱和值的平均速率的沙粒在表面和$g$的引力常量。我们发现，这种比例是一致的，最近的解析模式，其中拖曳长度只是四个同样重要的长度尺度相关的输沙饱和度。

A unified model of ripples and dunes in water and planetary environments

Subaqueous and aeolian bedforms are ubiquitous on Earth and other planetary environments. However, it is still unclear which hydrodynamical mechanisms lead to the observed variety of morphologies of self-organized natural patterns such as ripples, dunes or compound bedforms. Here we present simulations with a coupled hydrodynamic and sediment transport model that resolve the initial and mature stages of subaqueous and aeolian bedform evolution in the limit of large flow thickness. We identify two types of bedforms consistent with subaqueous ripples and dunes, and separated by a gap in waveleng…

History-dependent growth and reduction of the ripples formed on a swept granular track

When a solid object or wheel is repeatedly dragged on a dry sandy surface, ripple patterns are formed. Although the conditions to form ripple patterns have been studied well, methods to eliminate the developed ripple patterns have not been understood thus far. Therefore, history-dependent stability of the ripple patterns formed on a sandy surface is investigated in this study. First, the ripple patterns are formed by sweeping the flat sandy surface with a flexible plow at a constant speed. Then, the sweeping speed is reduced, and the variation of ripple patterns is measured. As a result, we fi…

涟漪与涟漪：从沙质沙漠到离子溅射表面

Ripples and Ripples: from Sandy Deserts to Ion-Sputtered Surfaces

我们研究了离子溅射过程中表面的形态演变，并将其与沙漠中风成波纹形成的动态粗糙化进行了比较。我们表明，这两种现象可以在相同的理论框架内描述。这种方法解释了在金属或半导体和非晶系统中实验观察到的不同动力学行为。在离子侵蚀的情况下，我们发现指数增长在恒定波长的临界粗糙度$W_c$。然而，在金属中，通过引入Erlich-Schwoebel势垒的贡献，我们发现从指数增长到幂律演化的过渡。

从跃移分析模式看风吹沙面的表观粗糙度

The apparent roughness of a sand surface blown by wind from an analytical model of saltation

本文提出了一个风沙运动的解析模型。该模型通过提供跃移层厚度和表观表面粗糙度的表达式来量化从风到输沙的动量传递。这些表达式是从基本的物理原理和少量的假设推导出来的。该模型还预测了输沙率（质量通量）和影响阈值（能够维持跃移的风切变速度的最小值）。我们表明，与以往的研究相比，本模型的预测是非常好的协议与一系列的实验，以及与数值模拟的风成跃移。由于它的物理基础，我们预计，我们的模型将在地球和火星上的风成沙运输的研究中找到应用。

Megaripple mechanics: bimodal transport ingrained in bimodal sands

Aeolian sand transport is a major process shaping landscapes on Earth and on diverse celestial bodies. Conditions favoring bimodal sand transport, with fine-grain saltation driving coarse-grain reptation, give rise to the evolution of megaripples with a characteristic bimodal sand composition. Here, we derive a unified phase diagram for this special aeolian process and the ensuing nonequilibrium megaripple morphodynamics by means of a conceptually simple quantitative model, grounded in the grain-scale physics. We establish a well-preserved quantitative signature of bimodal aeolian transport in…

Aeolian sand transport: Scaling of mean saltation length and height and implications for mass flux scaling

Wind tunnel measurements of the mean saltation length $L$ and of different proxies of the mean saltation height $H$ in saturated aeolian sand transport indicate that $L$ and $H$ are relatively insensitive to both the wind speed and grain diameter $d$. The latter result is currently unexplained and contradicts the theoretical prediction $L\propto H\propto d$. This prediction is based on the assumption that the characteristic velocity $\sqrt{\tilde gd}$ of bed grains ejected by the splash of an impacting grain controls the average saltation kinematics. Here, we show that a recent analytical salt…

地球上共同演化的气动沙纹与撞击沙纹

Coevolving aerodynamic and impact ripples on Earth

本研究通过风洞实验与数值模拟发现地球上存在共同演化的厘米级撞击沙纹与分米级气动沙纹，揭示两种中尺度不稳定性，修正了风沙响应速度的认知，并提出太阳系中尺度颗粒床形地貌的统一框架。

消光传质模型中沙波的粗化

Coarsening of Sand Ripples in Mass Transfer Models with Extinction

在一维随机模型中研究了沙纹的粗化问题，其中相邻沙纹之间以代数速率$Γ(m) \sim m^γ$交换质量，零质量沙纹被从系统中去除。对于$γ< 0$，波纹通过罕见的波动消失，并且平均波纹质量随着$\avem(t) \sim -γ^{-1} \ln (t)$而增长。时间相关性衰减为$t^{-1/2}$或$t^{-2/3}$取决于质量传递的对称性，和渐近的系统的特征在于由产品措施。精确地得到了稳态波纹的质量分布。对于$γ> 0$，波纹演化是线性不稳定的，并且动力学中的噪声是无关的。对于$γ= 1$，该问题在平均场水平上得到解决，但是平均场论不能充分描述粗化的全部行为。特别是，它未能占数值观察到的普遍性相对于初始波纹尺寸分布。结果并不局限于沙波纹的演变，因为该模型可以映射到零程过程，瓮模型，排斥过程，和集群集群聚集。

水下沙纹中的粒度偏析

Granular size segregation in underwater sand ripples

本文报道了在振荡水流作用下二元砂床的实验研究。观察了波纹的形成和演化。颗粒偏析的外观示出强烈依赖于砂床制备。测量混合物的初始波长。在最终稳定状态下，观察到体积偏析，而不是之前报道的表面偏析。强调了这种现象与流体流动之间的相关性。最后，不同的“异国情调”的模式和它们的地球物理意义。

新月形沙丘的新月形

On the crescentic shape of barchan dune

风成沙丘是风与沙床相互作用的产物。根据风的特性和沙的可用性，它们可以采用不同的形状，从巨大的不动的星状沙丘到小型的可移动的新月形沙丘。后者呈新月形，在单向风下出现，沙供应量低。在现有新月形沙丘二维模型的基础上，提出了新月形沙丘的三维模型。在描述了三维建模的内在问题后，我们表明，由于沙丘的形状，爬行颗粒的偏转导致横向沙通量偏转，这需要一个非线性扩散过程的数学形式。这种简单而有物理意义的耦合方法被用来理解新月形沙丘的形状。

沙丘的极小模型

Minimal Model for Sand Dunes

提出了一个风成沙丘的极小模型。它结合了一个连续的跃移模型，允许饱和瞬态的沙通量的沙丘上方的湍流风速场的分析描述。该模型提供了一个定性的了解真实沙丘的重要特征，如它们的纵向形状和纵横比，形成一个滑动面，打破规模不变性，并存在一个最小的沙丘尺寸。

沙粒中涡旋波纹的粗化

Coarsening of vortex ripples in sand

本文在一个简单的传质模型的框架内讨论了在不稳定状态下制备的涡纹阵列的粗化。Andersen等人[Phys.Rev.E63，066308（2001）]。确定了两种选择最终模式的方案。当初始状态是齐次的均匀随机扰动，一个唯一的最终状态达到只依赖于相互作用函数$f(λ)$的形状。一个潜在的制定的动力学表明，最终的波长是由麦克斯韦建设适用于$f(λ)$，但与数值模拟的比较表明，这只产生一个上限。与此相反，从一个完美的均匀态与本地化的微扰的进展，通过传播的波长加倍前。用标准的边际稳定性理论可以预测前速度。在这种情况下，最终波长以复杂的方式取决于初始波长，其中涉及乘以2的因子和有理比（例如4/3）。

紊流中的底形.第2部分：由初始线性不稳定性形成的波纹和由非线性模式粗化形成的沙丘

Bedforms in a turbulent stream.Part 2: Formation of ripples by primary linear instability and of dunes by non-linear pattern coarsening

一般认为，河流中的沙纹和沙丘都是由初级线性不稳定性形成的，前者的波长与粒径成比例，后者的波长受水深控制。我们在这里重新讨论这个问题，使用第1部分中计算波浪形底部上的湍流。控制输沙的不同机制的细节被编码成三个量：饱和通量，饱和长度和阈值剪切应力。这些量是在侵蚀和动量限制的推移质情况下模拟的。这个框架允许给出一个清晰的画面的不稳定性的动力机制。定量地导出了波纹形成的波长与磁通饱和长度之间的关系。反转的问题，实验数据被用来确定饱和长度作为晶粒尺寸和剪切速度的函数。最后，利用流场关于脉动振幅的系统展开式，讨论了波纹纵横比的非线性选择。调查的效果的自由表面上的线性不稳定性，我们表明，在表面的驻波的激发具有稳定的效果，独立的细节的流量和泥沙输运模型。因此，色散关系的形状是这样的，沙丘不能从一个主要的线性不稳定。我们提出了在天然沙质莱尔河，这证明了形成的涟漪的线性不稳定性和沙丘的形成由非线性图案粗化有限的自由表面进行的现场实验的结果。我们发现，巨型沙丘的形式时，砂床呈现不均匀性，如广泛的粒度分布。

风沙物理学

The physics of wind-blown sand and dust

风对沙尘的输送是一种强大的侵蚀力，形成沙丘和涟漪，并使大气层充满悬浮的沙尘气溶胶。本文对地球和火星上的风沙和尘埃的物理学进行了广泛的回顾。具体而言，我们回顾了风成跃移的物理学，沙丘和波纹的形成和发展，沙尘气溶胶排放的物理学，触发沙尘暴的天气现象，以及沙尘暴和其他小尺度涡旋的尘埃提升。我们还讨论了金星和土卫六上风吹沙和沙丘形成的物理学。

含双颗粒混合物的水力脉动模式

Patterns in hydraulic ripples with binary granular mixtures

本文报道了二元颗粒混合物在圆柱形容器中瞬态剪切流动的实验研究。观察到螺旋形波纹的形成。在这些螺旋图案的相分离的外观示出。不同砂种之间的相对粒度是导致相分离的相关参数。然而，相对静止角是无关参数。还介绍了沉积构造的形成。它们是由涟漪爬升过程产生的。层压图案的"亚临界“或"超临界”特性被示出取决于容器的旋转速度。