封闭管道流中沙丘的形态与位移

流体流动夹带固体颗粒的输运现象常见于工业应用中。更好地了解这一现象对于改进与颗粒相关的工业过程至关重要。当流体施加在颗粒床层上的剪切应力被限制在一定范围内时，会发生一种称为底负载 (bed-load) 的移动颗粒层，其中颗粒保持与固定床接触。如果这发生在不可侵蚀的地面上，且颗粒流量足够小，初始的薄连续颗粒层会变得不连续并由孤立沙丘组成。我们在此提出一项实验研究，以了解流体流动下孤立沙丘动力学的某些特征，使用的是由透明材料制成的封闭管道实验回路。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）以及不同的水流条件。我们观察到，放置在管道中的初始珠子堆迅速被水流变形，呈现出“新月形”，类似于在更大尺度的沙漠中发现的巴克汉沙丘 (barchan dunes)。我们还观察到沙丘尺寸的自相似性，且沙丘位移速度与其尺寸成反比缩放。本文讨论了沙丘位移速度随流体剪切速度的变化。