项目名称风沙运动的多场耦合特性及规律的力学研究

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1、项目名称：风沙运动的多场耦合特性及规律的力学研究申报奖种：2018年国家自然科学奖二等奖项目完成人：周又和、郑晓静、黄宁项目简介：本项目属力学学科，与物理、环境等学科关联。沙漠化与沙尘暴是备受国际关注的重大环境灾害，其产生主因是大量散体沙粒在风场作用下的集群运动，即风沙运动。由于沙粒运动的随机性以及与风场湍流和与流动沙床表面间的互馈所导致的多重非线性、两相流与热对流和风沙电场的多场耦合性、沙粒碰撞地表的击溅过程与风沙流形成演化过程交织的跨尺度性，使得对风沙运动规律的认知和揭示一直成为风沙物理学和沙漠化研究的难点。2005年《Science》列出125个重要科学问题中唯一与力学直接

2、相关的“能否发展关于湍流动力学和颗粒材料运动学的统一理论”，风沙运动研究作为这类重要科学问题的一典型对象是力学面临的新挑战。主要创新点：1）在基础性实验方面，提出了改进实验测量可靠性的新方法，开创了风沙电效应的风洞实验。提出了对风沙流单宽输沙率测量数据进行高精度处理的一种新方法，由此给出的解析公式解决了包括已有著名公式在内的50余种预报公式的预报值相差达2倍的适用问题；率先开展了风沙流中沙粒带电与风沙电场的风洞实验，揭示出沙粒所带电荷极性的尺度效应和荷质比的变化规律，并研制出抗风沙干扰性强且测量精度高的风沙电场测量仪；2）在基础性建模方面，建立了描述和表征风沙运动关键力学过程且实

3、现定量化预测的新的理论模型。建立了预测沙粒起跳初速度分布函数这一关键统计物理量的颗粒-床面随机碰撞模型、风沙流中沙粒空中碰撞模型以及综合反映多场耦合效应的风沙流形成演化过程等的理论模型及其定量求解方法，显著改进了预测风沙运动的精准度；3）在新现象新规律揭示方面，定量给出风沙电对风沙流形成演化过程和微波通讯的重要影响和规律，丰富了对风沙电现象的认识。发现沙粒带电导致风沙流输沙率增大形成演化过程加快的影响规律、沙粒带电是导致沙尘暴中微波衰减明显加剧的重要原因、沙粒所带电荷是在其表面局部分布的等特征，由此解决了已有理论预测与实测结果差异较大（甚至达20倍）的问题。上述工作形成了由基础性

4、实验和基本模型建立以及高精度定量分析方法相结合的一条合理、完整、可行的研究路线，创新了两相流的理论框架和研究手段，增进了对复杂系统随机性、非线性、多场耦合和跨尺度等特性的认知。由此拓展建成的沙尘暴野外观测站实现了包含风沙电场等多物理量的同步实时测量、建立的沙丘场形成演化跨尺度模型已应用于防沙治沙工程有效性评估与优化设计，并为某型国防产品试验的“故障归零”提供了成功的咨询指导。本项目发表SCI收录论文63篇、出版专著1部，他引1200余次（含SCI他引540余次）。8篇代表作他引590余次，其中SCI他引231次；获9项国家发明专利和2项美国发明专利；研究团队入选国家自然科学基金创

5、新研究群体；主办IUTAM“气候变化的极端事件动力学”研讨会等国际会议；有关工作分别被著名学者的《Nature》和《Rep.Prog.Phys.》论文评价是“出奇之少中的仅有的明显例外”、“最重要的模型”、“取得了显著进步”和“非常重要的贡献”等。本项目于2017年获教育部自然科学奖一等奖。客观评价：本项目是从力学的角度对自然界的风沙流开展基本实验观测、理论模型建立和定量分析预测的交叉性研究，研究成果除部分发表在力学期刊外，大多发表在在国际地学权威期刊，如《地球物理学报》(J.Geophys.Res.)和有关颗粒物理的期刊，如《Phys.Rev.E》和《Eur.Phys.J.E》

6、等，并得到包括一些著名学者在内的同行发表在著名期刊，如《Nature》和《Naturephysics》和一些相应的专业期刊如《Int.J.Pharm.》、《Sedimentology》、《PlanetSpaceSci.》、《Phys.Rev.Lett.》、《Rep.Prog.Phys.》、《J.Electrost.》等上的文章的肯定性评价，和对本项目所建模型的大篇幅直接采用。尽管由于定量研究风沙运动的难度大、研究人员偏少，但仍有包括美国、英国、日本、以色列等国在内的近百位学者正面引用了本项目工作，这些学者涉及的领域除地学外还包括化工、药学和空间科学等。由此在一定程度上反映了本项目

7、研究引领的公认程度的广泛性。1、代表作1被著名学者列为风沙物理学创始人Bagnold（1941）工作的后续典型进展。如：发表在气象学科1区期刊《Atmos.Chem.Phys.》(IF：5.114)的文章“从Bagnold给出的u*3关系开始，目前有许多与摩阻风速有关的输沙率公式。Zhou等(2002)讨论了其中与临界启动摩阻风速u*cr有关的经验公式”(见附件7-6-引文5)；又如《Int.J.Mod.Phys.C》和《Granul.Matter》主编、颗粒物理著名学者、Max