一种新模式可以帮助阻止移动的沙丘

剑桥科学家使用缩小比例的实验室模型来展示沙丘如何在景观中移动，揭示决定它们是否会穿过路径上的障碍(如管道或墙壁)或被阻止的条件。

该团队的实验 - 以不同大小和形状的模拟障碍物为特色 - 表明大型障碍物在阻止沙丘迁移方面最有效，尤其是当它们是山脊形，如墙，而不是光滑和圆柱形时，就像一条管道。

该模型发表在Physical Review Fluids 上，是第一个描述沙丘和障碍物之间相互作用的模型。

通过分析存在障碍物时水流如何偏转，他们还能够开发一种高效的数据驱动工具，旨在预测沙丘将如何与其周围环境相互作用。

这项研究可以帮助设计更有效的屏障，例如，可以阻止沙丘入侵农田。它还可用于保护沙丘及其独特的生态系统免受破坏。

“移动沙丘直接影响人们及其生计;在世界各地和各种环境中，”主要作者 Karol Bacik 说，他作为博士进行了这些实验。剑桥应用数学和理论物理系 (DAMTP) 的学生。“通过揭示沙丘与障碍物相互作用背后的物理原理，这项工作为我们提供了转移或停止沙丘所需的指导原则——减轻损害。”

随着沙漠继续扩大，沙丘对建筑环境构成越来越大的风险：在吞没土地时吞没道路和房屋。以类似的方式，海床上的沙丘会阻塞航运路线，甚至危及水下电缆和管道的安全。

但是在某些位置，与其阻止沙丘移动，不如让沙丘尽快穿过障碍物。以管道为例，如果埋在固定沙丘的重量下时间过长，可能会损坏管道。

Bacik 的作品展示了如何选择不同设计的障碍物以适应所需的结果，“如果你想让沙丘通过，让障碍物尽可能平滑和圆润——如果你想阻止它，让它尽可能尖锐， “巴奇克说。

这项研究是 Nathalie Vriend 的一系列实验之一，她与剑桥 BP 多相流研究所、地球科学系和 DAMTP 联合开展了一系列实验，以了解为什么沙丘会像它们那样移动。“沙子很迷人：从你的手上倒一些沙子，它像液体一样流动……然后，当它落下时，它会形成一个坚实的堆，”她说。“但是把它扔到空中，它会像气体一样吹动。它能够在像这样的状态之间变形，这使得模拟沙子的运动方式成为一个真正的挑战。”

该团队制作了一个环形水箱来容纳他们的沙丘，沙丘可以循环移动，几乎就像一个“旋转木马”。通过将沙丘淹没在水中，并用桨扰动水流，他们能够重建沙丘是如何被水流移动的。然后他们在移动沙丘的路径上放置不同大小和形状的障碍物，以观察它们的效果。

“我们可以看到沙丘在我们面前移动的证据，但令人着迷的是它们的移动完全取决于隐藏的水流或风模式，”Bacik 说，“你看不到湍流的卷曲尾巴直到您使用可视化技术……只有这样，一旦您进行了流体分析，您才能真正理解为什么沙丘会像它们那样移动。”

研究人员的最终目标是模型沙沙丘运动在更复杂的和现实的，立体的，除了探索风吹沙丘景观在沙漠中找到。理想情况下，他们希望能够在地图上精确定位，输入有关天气、气流或水流的信息，并预测沙丘是否会越过特定障碍物。尽管这些数值模拟会更复杂，但他们的新实验可作为继续探索的重要验证基准。

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