On the effect of two-direction seasonal flows on barchans and the origin of occluded dunes
本研究通过颗粒尺度数值模拟，探究双向季节性流动对沙丘形态的影响，发现低频流动使沙丘适应并保持形状，高频流动则使其变圆，首次揭示颗粒动力学，并解释火星遮挡沙丘的成因。
2024-11-03 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Barchan-barchan and barchan-obstacle interactions: insights from grain-scale studies
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)（坎皮纳斯州立大学）；University of Minnesota（明尼苏达大学）；University of Duisburg-Essen（杜伊斯堡-埃森大学）
基于颗粒尺度水下实验和数值模拟，探讨巴坎沙丘-巴坎沙丘及巴坎沙丘-障碍物相互作用，提出相互作用取决于希尔兹数、斯托克斯数、地貌横向位置及物体尺寸比，展示相关流动、轨迹和合力，解释行为机制并讨论风成影响。
2026-07-24 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Role of transverse displacements in the formation of subaqueous barchan dunes
新月形沙丘，又称新月形沙丘，是由流体作用于颗粒床而形成的。这些底形在许多环境中是常见的，存在于水下或空中，并且由以不同初始排列组织的颗粒形成。虽然它们在自然界和工业中经常被发现，但关于它们发展的细节仍有待了解。在最近的一篇论文[C。A. Alvarez和E. M. Franklin，Phys. Rev. E 96，062906（2017）]，我们提出了一个基于角生长的单个barchans发展和平衡的时间尺度。在这封信中，我们报告了在颗粒尺度上角的生长测量。在我们的实验中，圆锥形堆被放置在一个封闭的管道和单个颗粒跟踪每个堆，在水流的作用下，演变成新月形沙丘。我们确定了迁移到生长角的颗粒的轨迹，并发现它们中的大多数来自初始堆外围的上游区域，平均位移为堆大小的顺序。此外，我们表明，个别晶粒有横向位移滚动和滑动，是不可忽略的，其中许多人去周围的堆。我们的实验揭示的角形成的机制与一般的图片，新月形角形成的沙丘侧面的前进，由于迁移速度与沙丘大小的倒数缩放。我们的研究结果改变了水下新月形沙丘的生长方式。
2018-10-19 cond-mat.soft physics.flu-dyn
When barchan dunes move over craters
研究亚水下波浪丘在陨石坑上移动的机制及影响因素，提出尺寸比和斯托克斯数分类图用于预测其行为。
2025-11-26 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Morphodynamics of barchan-barchan interactions investigated at the grain scale
新月形沙丘的大小选择，被称为barchans，通常在水，空气和其他行星环境中发现。羊栖菜的生长是由流体流动和颗粒床之间的相互作用引起的，但它们的大小调节涉及田间不同羊栖菜之间的复杂交换。一个尺寸调节机制是附近沙丘之间的二元相互作用，当两个沙丘通过近流场或直接接触（碰撞）交换质量时。在最近的一封信（阿西斯和富兰克林，地球物理学。Res. Lett.，2020），我们确定了五种不同的模式产生的二元相互作用的水下barchans，并提出了分类地图。在本文中，我们进一步探讨了二元交换通过调查的运动，个别颗粒，而barchans相互作用。实验在水槽中进行，在对齐和偏离中心的配置对barchans的演变记录了传统和高速摄像机。基于图像处理，我们得到了沙丘的形态和颗粒的运动的所有相互作用模式。我们提出了单个颗粒的轨迹，从中我们显示了移动颗粒的起源和目的地，以及它们的典型长度和速度。我们还表明，从影响沙丘蔓延的颗粒与扩散样组件在目标新月形，我们提出了一个扩散长度。我们的研究结果提供了新的见解，在地球和其他行星上发现的barchans和barchanoid形式的大小调节机制。
2021-08-04 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Horns of subaqueous barchan dunes: A study at the grain scale
新月形沙丘的形态动力学涉及许多复杂的方面，称为新月形沙丘。其中之一是关于沙丘上单个颗粒的轨迹，以及它们如何影响沙丘的形状。在水下barchans的情况下，我们提出在阿尔瓦雷斯和富兰克林[物理学评论Lett. 121，164503（2018）]，它们的末端，称为角，主要是由从初始堆的上游区域迁移的颗粒形成的，并且它们表现出显著的横向位移。在这里，我们扩展我们以前的工作，以解决动态的颗粒迁移到角沙丘后，已达到其新月形的形状，并提出新的方面的问题。在我们的实验中，单barchans演变，在水湍流的作用下，从一堆圆锥形的形状形成的玻璃珠倒在一个矩形通道的底壁。对于不断发展和发达的barchans，角是受够了来自上游地区的床形和旅行的显着的横向分量，不同于通常描述的风成情况下的动力学颗粒。对于这些颗粒，不管它们的大小和强度的水流，横向和流向的速度分量的分布是很好地描述了指数函数，其大小的概率密度函数是类似于从以前的研究中获得的结果在平坦的床。针对初始位置在角上的运动颗粒，我们发现它们的停留时间和运动距离之间存在准线性关系。我们的研究结果提供了新的见解新月形沙丘的形状的物理机制。
2019-10-10 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Shape evolution of numerically obtained subaqueous barchan dunes
在颗粒床形领域，新月形沙丘是强吸引物，可以在河流，陆地沙漠和其他行星环境中找到。这些床型的特征是新月形，虽然坚固，但根据它们所处的环境呈现不同的尺度，它们的长度尺度从水下的分米到火星上的公里不等。除了底形的尺度，颗粒的运输根据夹带流体的性质呈现出显着的差异，因此，barchans的生长有待充分理解。由于水下新月形沙丘的长度和时间尺度较小，是研究新月形沙丘生长的理想对象。在本文中，我们数值重现了Alvarez和Franklin的实验[Phys. Rev. E 96，062906（2017）和Phys. Rev. Lett. 121，164503（2018）]关于barchans从它们的开始直到它们达到稳定形状的形状演变。采用计算流体动力学-离散元法（CFD-DEM）计算了河床演变过程，在相同的初始和边界条件下，将离散元法与大涡模拟（LES）相结合，在封闭管道中进行了实验，在湍流状态下水流的作用下，最初的锥形堆积演变为单个barchans。我们的模拟捕捉到的演变，以及初始桩向新月形沙丘在床形和颗粒尺度，在实验中观察到相同的特征时间和长度。此外，我们得到了当地的颗粒通量和合力作用在每个颗粒上，后者尚未以前测量或计算。这表明，目前的方法是适当的数值计算的底形，打开新的可能性，从目前的实验中无法获得的数据访问。
2020-01-21 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Velocity fields and particle trajectories for bed load over subaqueous barchan dunes
本文介绍了一个实验研究的移动颗粒在水下新月形沙丘，由球形玻璃珠的已知粒度。在每次测试运行之前，将预定量的谷物倒入封闭管道内，并且谷物沉降在其底壁上形成一个圆锥形堆。当不同的湍流被施加时，每一堆都演变成一个新月形沙丘，这是用高速摄像机拍摄的。编写图像处理代码以识别一些移动颗粒并计算它们的速度场和轨迹。我们的研究结果表明，颗粒的速度沿新月形沙丘变化，与较高的速度发生在沙丘的质心附近，颗粒的轨迹是间歇性的。根据沙丘上的区域，我们发现，速度场呈现的值在流体横截面平均速度的1%和10%之内。考虑到在给定沙丘上移动的颗粒的平均轨迹，它们的平均位移在30和60个颗粒直径内变化，并且它们的特征速度在流体的横截面平均速度的10%和20%内变化。推移时间在沉降时间的30%~ 90%之间变化，有两种渐近行为：一种接近于推移质起动，另一种远离于推移质起动。当与平床推移质相比时，我们观察到颗粒具有相同的平均速度，但它们的运动距离大5倍，运动颗粒的密度更高。
2019-07-21 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Evolution of barchan dune interactions investigated by a downscaled water tunnel experiment: the temporal characteristics and a soliton-like behavior
通过缩尺水洞实验，研究了双沙丘相互作用系统的时间特性，以及当两沙丘初始质量比较大时，沙丘相互作用的新模式。这些主题是有用的沙丘相互作用系统的全面理解，但很少涉及到以前。定义了沙丘相互作用下的周转时间尺度，发现其时间平均值与初始质量比之间存在非单调关系。一个非单调的关系也被发现之间的凸度的下游沙丘尖端和初始质量比。上述两条非单调曲线的稳定点对应于同一种沙丘相互作用模式，即交换-追逐模式，这在沙丘相互作用分类图中是必不可少的。上游沙丘充当流体流动和下游沙丘之间的能量传递器。当下游沙丘变大时，会出现类似孤子的行为，其中一个小沙丘从下游沙丘尖端脱离，并在没有质量交换的情况下被上游沙丘通过。研究发现，这种瞬态孤子的活动性与沙丘的初始间距呈负相关，与沙丘的初始质量比呈正相关。
2022-03-18 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Grain-scale computations of barchan dunes
新月形沙丘通常在不同的环境和规模中发现：从水下10厘米长的新月形沙丘到火星上1公里长的新月形沙丘，经过地球沙漠上100米长的沙丘。虽然在自然界中普遍存在，但缺乏对这些底形的生长和演化的粒度尺度计算。在本文中，我们调查的值的颗粒特性（系数的滑动摩擦，滚动摩擦和恢复）进行数值模拟的水下barchans与CFD-DEM（计算流体动力学-离散元方法），以及如何改变这些系数的值barchan动态。采用大涡模拟（大涡模拟）方法，改变离散元中的滑动摩擦系数、滚动摩擦系数和恢复系数，并与实验结果进行比较。我们展示：（i）对于玻璃球的情况，用于正确获得沙丘形态、时间尺度、单个颗粒的轨迹和颗粒所经历的力的系数值;（ii）LES网格允许在捕获流体流动的主要扰动的同时计算推移质;（iii）不同的系数值如何影响沙丘的形态;以及（iv）具有较高滚动摩擦系数的球体可用于模拟由角状晶粒组成的新月形。我们的研究结果代表了执行模拟的重要一步，同时捕获流体流动（大漩涡）和颗粒运动（单个颗粒）的细节。
2022-12-06 cond-mat.soft physics.flu-dyn physics.geo-ph
Evolving dunes under flow reversals: from an initial heap toward an inverted dune
该研究结合二维水槽实验与 Euler-Lagrange 三维模拟，揭示流向反转时沙丘从初始沙堆演化为倒置沙丘的颗粒运动与时间尺度规律。
2025-05-10 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Barchans interacting with dune-size obstacles: details of the fluid flow and motion of grains
本研究采用颗粒尺度数值模拟，揭示水下新月形沙丘遇沙丘尺度障碍物时颗粒越过、绕过或被困的流体机制及颗粒受力规律。
2025-06-14 physics.flu-dyn physics.geo-ph
A comprehensive picture for binary interactions of subaqueous barchans
我们实验研究了两个水下barchans之间发生的短程相互作用。实验是在一个透明材料的水槽中进行的，在水槽中倒入受控的谷物，并在顶部放置一个相机来获取床型的图像。我们改变了颗粒类型（直径、密度和圆度）、堆质量、横向距离、水流速和初始条件。其结果是，五种不同的模式被确定为对齐和偏离中心的配置，我们提出了相互作用的地图，基本上取决于每个沙丘，盾牌数和对齐的barchans的颗粒的数量之间的比率。此外，我们的实验表明，喷射新月形有大致相同的质量的影响之一，在某些情况下，并在唤醒为主的过程中，下游沙丘的不对称性是大的。目前的结果揭示了在地球和其他行星上发现的barchans的大小调节。
2020-09-26 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Morphology and displacement of dunes in a closed-conduit flow
在工业应用中经常发现由流体流夹带的固体颗粒的输送。更好地了解它，对于改善与颗粒相关的工业过程具有重要意义。当流体施加在颗粒床上的剪切应力被限制到一定限度时，就会产生一个称为推移质的颗粒移动层，其中颗粒与固定床保持接触。如果它发生在不可侵蚀的地面上，并且如果颗粒流率足够小，则最初的薄的连续颗粒层变得不连续并由孤立的沙丘组成。我们在这里提出了一个实验研究，以了解一些功能的孤立沙丘下的流体流动，使用一个封闭的管道实验回路制成的透明材料的动力学。获取的数据主要涉及不同条件下的沙丘形态和位移速度：不同类型的珠子（直径和密度）和不同的水流条件。我们观察到，放置在管道中的最初一堆珠子被水流迅速变形，呈“羊角”形状，就像沙漠中发现的新月形沙丘一样。我们还观察到自相似性沙丘的尺寸和沙丘位移速度尺度与其尺寸的倒数。本文讨论了沙丘位移速度随流体剪切速度的变化规律。
2016-08-27 physics.flu-dyn
Coherent Structures in Turbulent Flow over Two-Dimensional River Dunes
我们使用拉格朗日动态涡粘性亚网格模型，在实验室尺度上对典型的二维沙丘几何形状上的流动进行了大涡模拟（基于平均通道高度和平均速度的雷诺数为18，900）。水流在沙丘顶部分离，并在下游重新附着在河床上（x=5.7h）。有利的压力梯度加速了沙丘迎风面（x > 8h的向上倾斜区域）的流动，而不利的压力梯度（x < 8h）则使沙丘背风面的流动减速。由于流动的分离，在波峰之后产生剪切层，该剪切层在尾流区域中朝向下一个沙丘扩展。外层湍流结构是可视化的，通过等值面的压力波动颜色的距离表面。由于Kelvin-Helmholtz不稳定性，在剪切层中产生展向涡。它们在下游对流，要么与壁相互作用，要么上升到表面，形成巨大的马蹄形结构。这些结构可能会经历强烈的扭曲，变成一条腿，或者完全被摧毁。当它们生长到与流动深度相当（或更大）的尺寸时，它们的腿之间会发生强烈的喷射。两个大的相干结构之间的相互作用可能导致合并，或在较弱的耗散。幸存的漩涡沿着沙丘顶部发出的剪切层生长和上升;它们向下倾斜，最终，它们的尖端接触表面。当马蹄铁的腿接近表面时，它们会产生一种上升流，这种上升流会膨胀和减弱。涡环的支腿在较长时间内保持连贯。
2011-10-05 physics.flu-dyn
Preliminary experimental investigation on the interaction of a subaqueous dune like granular structure with a turbulent open channel flow
本研究通过实验探究水下沙丘状颗粒结构与湍流明渠水流的相互作用，在Shields-Froude参数空间内揭示了临界Shields数约为0.1，并发现不同参数区间下侵蚀、形状演化及质心运动的不同模式。
2025-05-27 cond-mat.soft physics.flu-dyn
The perturbation of a turbulent boundary layer by a two-dimensional hill
在自然界和工业中，经常可以发现有山丘存在的平壁面上的紊流边界层。一些例子是空气流过山丘和沙丘，还有水流过封闭管道内的水生沙丘。山丘对二维边界层的扰动在问题中引入了新的尺度，改变了速度和应力沿流动分布的方式。当存在泥沙输移时，沿山体的应力分布与床面不稳定性密切相关。本文介绍了二维山丘对充分发展的湍流边界层扰动的实验研究。水流被施加在固定在封闭管道的底壁上的山丘上，并且流场通过粒子图像测速仪（Particle Image Velocimetry）测量。从流量测量，平均和波动场计算。速度和应力的一般行为进行了比较，发表的渐近分析和表面剪应力分析的颗粒床的不稳定性。
2017-06-08 physics.flu-dyn
Direct numerical simulation of pattern formation in subaqueous sediment
我们提出的直接数值模拟的不可压缩流体流动的厚床的移动，球形颗粒的结果。该算法是基于沉浸边界技术的流固耦合和使用软球模型的固-固接触。选择层流状态中的两个参数点，导致出现被归类为“小沙丘”的沉积模式，而在湍流条件下的一种情况下，导致背风侧出现具有显著流动分离的“涡流沙丘”。从展向平均流化床界面提取的图案的波长，振幅和传播速度被发现与现有的实验数据是一致的。颗粒输运率是很好地代表了现有的经验模型，在层流和湍流制度的平面沉积物床的流动。
2014-05-20 physics.flu-dyn
The Evolution of Turbulence Producing Motions in the ABL Across a Natural Roughness Transition
本研究通过大涡模拟考察白沙国家公园沙丘场自然粗糙度过渡区ABL中IBL发展对输沙湍流的影响，发现IBL厚度决定湍流最大尺度并增强扫掠/喷射事件，为景观与ABL协同演化耦合提供机制。
2024-12-02 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Turbulent characteristics within roughness sublayer over spanwise homogeneous transversal bars
近年来，人们对植被冠层、建筑物、沙丘等剪切层内的湍流特性进行了研究。Kevin-Helmholtz不稳定性引发的发夹涡脱落被广泛认为是混合层类比的“标志”。然而，复杂的粗糙度类型复杂的湍流演变过程的观测实践。为了简化这一过程，本文采用展向均匀粗糙度来捕捉不同粗糙元间距下的流向流场变化。流线型连续物距$λ_x$用于表示粗糙元距离。从第一种情况到第四种情况，观察到了从湍流槽道流到冠层流的过渡趋势。然而，当$λ_x/h<1.0$时，随着连续距离的减小，从情况4到情况6，有证据表明湍流正在从冠层流转移到通道流。瞬态结果证实了湍流混合的增强和湍流相干性的降低。附着涡流假说（AEH）在$λ_x/h<1.0$病例中成立。同时，数值模拟结果表明，当$λ_x$在$λ_x/h<1.0$之后继续减小时，糙率剪切“曲线”的有效性会降低。在单元上一个采样点上三个波动变量的概率密度函数（PDF）在上部区域呈现间距效应减小的“递增-递减”趋势，其中在情形2和情形3中出现最大效应。旋转结构显示还显示了不同流向连续物距下粗糙层湍流结构的变化过程。最后，瞬态结果表明壁面法向动量通量输运和湍流旋流结构与单元间距相关。
2020-03-12 physics.flu-dyn
Local Wind Regime Induced by Giant Linear Dunes: Comparison of ERA5-Land Reanalysis with Surface Measurements
沙丘的形成和发育是地形、风、沙相互作用的结果。虽然这些变量之间的反馈在一个单一的和相对较小的沙丘的规模进行了很好的研究，一个周期性的大规模沙丘模式对大气流动的平均影响仍然受到很大的限制，由于迫切缺乏数据在主要沙海。在这里，我们比较当地的地面风的ERA 5-土地气候再分析的预测在纳米比亚的四个地点，无论是内部和外部的纳米布沙海的巨大的线性沙丘领域。在沙海以北的沙漠平原上，观察结果和预测结果非常一致。白天沙海沙丘间地区也是如此。然而，在夜间，一个额外的风分量与巨大的沙丘方向一致的测量，与ERA 5-土地再分析预测的东风相反。对于给定的沙丘方向和测得的风况，我们将观测到的风偏差（超过50 \textdegree）与湍流大气边界层的日循环联系起来。在夜间，一个浅的边界层在巨大的沙丘上方引起流动限制，导致大的流动偏差，特别是对于较慢的东风。在白天，由于边界层较厚，风速较高，巨型沙丘对大气流动的反馈要弱得多。最后，我们建议，约束机制和相关的风偏转引起的巨型沙丘可以解释较小规模的次级沙丘，它在沙丘间地区的主要沙丘模式的倾斜伸长的发展。
2022-08-30 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
The formation and migration of sand ripples in closed conduits: experiments with turbulent water flows
在自然界和工业中经常发现固体颗粒通过流体流动的输送。一些例子是河流和碳氢化合物管道中的沙子运输。当流体流施加在颗粒床上的剪切应力保持适度时，一些颗粒被设置为运动而不使床流化;运动的颗粒形成一个层，称为推移质，该层在移动的同时保持与床的固定部分接触。在推移质条件下，颗粒床可能变得不稳定，产生波纹和沙丘。沙纹通常在封闭的管道和管道中观察到，例如石油管道，下水道系统和疏浚管线。虽然在许多科学领域和工业应用的重要性，波纹的形成在封闭的管道没有得到很好的理解，这个问题仍然是开放的。本文介绍了在紊流闭管水流和推移质条件下沙纹形成和迁移的试验研究。在我们的实验中，充分发展的湍流水流施加在一个透明的通道中的已知粒度的颗粒床，并发生推移质负荷。对于不同的水流量和粒径，生长和迁移的底形被拍摄的高清晰度相机，并开发了一个数字代码，以确定从所获得的图像的波长和celebrations的底形。所得到的结果进行了比较与出版的稳定性分析。
2016-08-16 physics.flu-dyn
Basal pressure variations induced by a turbulent flow over a wavy surface
波浪形表面上的湍流引起波纹、沙丘和其他自然底形的形成。为了预测这些水流输送了多少泥沙，研究主要集中在最高地形上游的基底剪切应力上，而在很大程度上忽略了相应的压力变化。在这篇文章中，我们重新分析旧的文献数据，以及最近的风洞试验结果，揭示了一个新的光的压力诱导的湍流上的正弦曲面。虽然伯努利效应增加了波峰上方的速度，并减少了波谷，但压力的变化滞后于地形。我们从流向压力分布中提取同相和正交分量，并将它们与根据剪应力数据校准的流体动力学预测进行比较。
2021-05-14 cond-mat.soft physics.flu-dyn physics.geo-ph
Hydrodynamic roughness induced by a multiscale topography
本研究针对二维多尺度调制表面，采用混合长度封闭的RANS方程与弱非线性展开方法，理论分析其诱导的流体动力学粗糙度的非单调转捩特性，并应用于自然地貌的形态选择与粗糙度层级研究。
2023-11-03 physics.flu-dyn
CFD simulation of the wind field over a terrain with sand fences: Critical spacing for the protected soil area
在受沙侵和荒漠化影响的地区，通常建立沙栅以降低风速，防止风沙侵蚀，并诱导沙沉积和沙丘形成。然而，由于现场实验受天气条件的影响，仅通过现场实验寻找最有效的围栏阵列构成了一项具有挑战性的任务。在这里，我们应用计算流体动力学模拟调查的三维结构的湍流风场在一个阵列的栅栏的不同大小，孔隙度和间距。我们的目标是在没有跃移或悬浮运输的情况下对这种结构进行定量分析，作为发展连续模拟风成土中存在围栏的第一步。我们发现，该地区的土壤保护直接气动夹带有两个制度，取决于间距$L_x$之间的围栏。当$L_x$小于临界值$L_{xc}$时，与每个围栏相关联的尾流区是相互连接的（状态A），而当$L_x$超过该间隔临界值时，这些尾流区看起来彼此分离（状态B）。该系统在$L_x = L_{xc}$处经历二阶相变，保护区的侧风宽度在状态A中与$\left[{1-{L}_x}/{L}_{xc}\right]^β$缩放，与$β\approx 0.32$缩放。我们的研究结果有意义的风沙运输中存在的沙栅栏，以及制定优化策略的措施，以保护土壤免受风蚀。
2019-04-01 physics.flu-dyn
