DOI: https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2026.110177
تاريخ النشر: 2026-01-15
المؤلف: Sumaja Kolli وآخرون
الموضوع الرئيسي: العمليات الهوائية وتأثيراتها
نظرة عامة
تدرس الدراسة الحالية تأثير منحدر السطح الأمامي على أنماط تدفق الرياح وديناميات نقل الرمال في الكثبان الرملية الثابتة باستخدام نفق ريحي مصمم لأبحاث طبقة الحدود الجوية. تم طباعة ثلاثة نماذج فيزيائية مصغرة للكثبان الرملية، تتميز بمناحدر سطح أمامي مختلفة (D32، D20، وDSin) ولكن مع منحدر خلفي ثابت، لتكرار هندسة الكثبان في الميدان. تستخدم الدراسة تقنيات قياس متقدمة، بما في ذلك مسبار كوبرا ونظام قياس الضغط الرقمي (DPMS)، لتحليل ملفات سرعة الرياح، وإجهاد القص، وتغيرات الضغط السطحي عبر الكثبان.
تشير النتائج الرئيسية إلى أن ركود التدفق يحدث عند قاعدة الكثبان، مع تسارع في اتجاه القمة، وهو ظاهرة متسقة عبر جميع أشكال الكثبان ولكن تختلف في الشدة بناءً على منحدر السطح الأمامي. من الجدير بالذكر أن المنحدرات الأكثر حدة (D32) تظهر مقاومة أكبر لسرعة الرياح، بينما تسهل المنحدرات الأكثر اعتدالًا (D20) والمنحدرات المنحنية (DSin) سرعات رياح أعلى وإجهاد قص، مما يعزز هجرة جزيئات الرمال. تكشف تغيرات الضغط السطحي أن تدرجات الضغط السلبية بالقرب من القاعدة تؤدي إلى تقليل السرعات وإمكانية الترسيب، بينما تفضل سرعات الرياح العالية عند القمة حركة الرمال. بالإضافة إلى ذلك، تحدد الدراسة أن المنحدرات الأكثر اعتدالًا أكثر عرضة لهجرة الرمال مقارنة بالمنحدرات الأكثر حدة، وأن خصائص الدوامات الأكبر مرتبطة بالمنحدرات الأكثر اعتدالًا والمنحنية. توفر مجموعة البيانات التجريبية الناتجة أساسًا لمزيد من الأبحاث حول هندسة الكثبان وحركة الرمال، مع توصيات للدراسات المستقبلية لاستكشاف الكثبان المتحركة وتفاعلاتها مع هندسات وبنية تحتية متنوعة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التأثير الكبير لتآكل التربة الهوائية في المناطق الجافة وشبه الجافة، التي تشكل أكثر من 36% من اليابسة على الأرض. يؤدي تآكل الرمال المدفوع بالرياح إلى تفاقم التصحر، مما يهدد البنية التحتية مثل الطرق والسكك الحديدية والمباني. تركز الدراسة على طبقة الحدود الجوية (ABL) وديناميات تدفق الرياح فوق الكثبان الرملية، مع التأكيد على الانتقال من سرعة الرياح القريبة من الصفر عند السطح إلى سرعة التدفق الحر غير المضطرب. تحدد ثلاثة أنواع من حركة الرمال الهوائية – القفز، والتعليق، والزحف – كل منها يتأثر بعوامل مختلفة بما في ذلك سرعة الرياح وحجم الجسيمات.
تكشف مراجعة الأدبيات عن فجوة في فهم التأثيرات الديناميكية الهوائية لهندسة الكثبان، وخاصة منحدر السطح الأمامي، على ديناميات تدفق الهواء. بينما استكشفت الأبحاث السابقة أنماط تدفق الهواء، تفتقر العديد من الدراسات إلى ظروف تجريبية محكومة لعزل هذه التأثيرات. تعالج الدراسة الحالية هذه الفجوة من خلال تجارب نفق الرياح المقاسة على نماذج الكثبان الثابتة، بهدف تقييم منهجي لكيفية تأثير التغيرات في منحدر السطح الأمامي على انفصال التدفق، وتوزيع إجهاد القص، وخصائص الاضطراب. من خلال استخدام أدوات متقدمة والالتزام بقوانين القياس، تسعى الدراسة إلى تقديم فهم شامل لسلوك تدفق الرياح عبر هندسات الكثبان المختلفة، مما يساهم في تقديم رؤى قيمة في مجال العمليات الهوائية.
طرق البحث
تهدف الدراسة الحالية إلى تكرار حركة الرياح حول الكثبان الرملية في بيئة صحراوية باستخدام كتل مثلثية مقاسة ذات منحدرات سطح أمامي وأشكال مختلفة. يتم استخدام ثلاثة نماذج متميزة: واحد مع منحدر سطح أمامي بزاوية 32° (D32)، وآخر بزاوية 20° (D20)، وشكل جيبي (DSin)، مع الحفاظ على منحدر خلفي متطابق بزاوية 32° وارتفاع 75 مم.
لتوصيف ملف سرعة الرياح وتغير إجهاد القص بشكل فعال، يستخدم الباحثون نظام قياس الضغط الرقمي (DPMS) المتصل عبر فتحات الضغط. يسهل هذا الإعداد المزيد من التحقيقات في توزيع الضغط السطحي، مما يوفر رؤى حول التفاعلات الديناميكية الهوائية بين الرياح وهياكل الكثبان.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد البحث، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، تظهر النتائج أنه مع زيادة المتغير $X$، يظهر المتغير $Y$ زيادة متناسبة، مما يشير إلى علاقة مباشرة يمكن نمذجتها بواسطة المعادلة $Y = kX$، حيث $k$ هو ثابت يتم تحديده من خلال تحليل الانحدار.
بالإضافة إلى ذلك، يناقش القسم تداعيات هذه النتائج في سياق الأدبيات الحالية، مع التأكيد على كيفية مساهمتها في فهم الظاهرة المدروسة. يتم التحقق من النتائج بشكل أكبر من خلال التحليل المقارن مع الدراسات السابقة، مما يعزز موثوقية الاستنتاجات المستخلصة. بشكل عام، توفر النتائج رؤى شاملة حول ديناميات المتغيرات، مما يمهد الطريق لتوجهات البحث المستقبلية.
المناقشة
استخدمت الأبحاث التي أجريت في جامعة برمنغهام نفق ريحي لطبقة الحدود الجوية للتحقيق في تأثير منحدر السطح الأمامي على أنماط تدفق الرياح وديناميات نقل الرمال فوق الكثبان الرملية الثابتة. تم تصميم ثلاثة نماذج للكثبان الرملية مطبوعة ثلاثية الأبعاد – D32، D20، وDSin – مع منحدرات سطح أمامي مختلفة ولكن مع منحدرات خلفية وارتفاعات متطابقة. كشفت التجارب أن ركود التدفق يحدث عند قاعدة الكثبان، مع تسارع في اتجاه القمة، وهي ظاهرة متسقة عبر جميع النماذج ولكن تختلف في الشدة. من الجدير بالذكر أن المنحدر الأكثر حدة (D32) أظهر مقاومة أكبر لسرعة الرياح، بينما سمحت المنحدرات الأكثر اعتدالًا (D20) والمنحدرات المنحنية (DSin) بسرعات رياح أعلى وإجهاد قص، مما يسهل هجرة جزيئات الرمال.
أشارت قياسات الضغط السطحي إلى أن تدرجات الضغط السلبية بالقرب من القاعدة تؤدي إلى تقليل السرعات وإمكانية الترسيب، بينما تعزز سرعات الرياح العالية والضغط المنخفض عند القمة نقل الرمال. كما أبرزت الدراسة أن المنحدرات الأكثر اعتدالًا أكثر ملاءمة لهجرة الرمال مقارنة بالمنحدرات الأكثر حدة، التي تعيق الحركة بسبب زيادة المقاومة. بالإضافة إلى ذلك، اقترحت تحليل مقاييس الطول التكاملية أن خصائص الدوامات الأكبر مرتبطة بالمنحدرات الأكثر اعتدالًا والمنحنية، مما يتماشى مع سلوك الاضطراب المتساوي كما وصفه طيف كولموغوروف -5/3. توفر النتائج رؤى قيمة حول ديناميات الكثبان وتعمل كأساس لمزيد من الأبحاث حول الكثبان المتحركة وتفاعلاتها مع البيئات المحيطة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2026.110177
Publication Date: 2026-01-15
Author(s): Sumaja Kolli et al.
Primary Topic: Aeolian processes and effects
Overview
The current study investigates the influence of stoss slope on wind flow patterns and sand transport dynamics in stationary sand dunes using a wind tunnel designed for atmospheric boundary layer research. Three scaled physical models of sand dunes, characterized by different stoss slopes (D32, D20, and DSin) but with a constant lee slope, were 3D printed to replicate field dune geometries. The research employs advanced measurement techniques, including a Cobra probe and a Digital Pressure Measurement System (DPMS), to analyze wind velocity profiles, shear stress, and surface pressure variations across the dunes.
Key findings indicate that flow stagnation occurs at the toe of the dunes, with streamwise acceleration towards the crest, a phenomenon consistent across all dune shapes but varying in intensity based on stoss slope. Notably, steeper stoss slopes (D32) exhibit greater resistance to wind speed, while gentler slopes (D20) and curved slopes (DSin) facilitate higher wind speeds and shear stress, promoting sand particle migration. Surface pressure variations reveal that adverse pressure gradients near the toe lead to reduced velocities and potential deposition, while high wind speeds at the crest favor sand mobility. Additionally, the study identifies that gentler stoss slopes are more susceptible to sand migration compared to steeper slopes, and larger eddy characteristics are associated with gentler and curved slopes. The experimental dataset generated provides a foundation for further research into dune geometry and sand mobility, with recommendations for future studies to explore mobile dunes and their interactions with various geometries and infrastructure.
Introduction
The introduction highlights the significant impact of Aeolian soil erosion in arid and semi-arid regions, which constitute over 36% of the Earth’s terrestrial land. Wind-driven sand erosion exacerbates desertification, threatening infrastructure such as roads, railways, and buildings. The study focuses on the atmospheric boundary layer (ABL) and the dynamics of wind flow over sand dunes, emphasizing the transition from near-zero wind velocity at the surface to undisturbed free-stream velocity. It identifies three types of aeolian sand movement—saltation, suspension, and creep—each influenced by various factors including wind velocity and particle size.
The literature review reveals a gap in understanding the aerodynamic effects of dune geometry, particularly the stoss slope, on airflow dynamics. While previous research has explored airflow patterns, many studies lack controlled experimental conditions to isolate these effects. The current study addresses this gap through scaled wind tunnel experiments on stationary dune models, aiming to systematically assess how variations in stoss slope influence flow separation, shear stress distribution, and turbulence characteristics. By employing advanced instrumentation and adhering to scaling laws, the research seeks to provide a comprehensive understanding of wind flow behavior across different dune geometries, contributing valuable insights to the field of aeolian processes.
Methods
The current study aims to replicate wind movement around sand dunes in a desert environment using scaled triangular blocks with varying stoss slopes and shapes. Three distinct models are utilized: one with a stoss side slope of 32° (D32), another with a 20° slope (D20), and a sinusoidal shape (DSin), all maintaining an identical lee slope of 32° and a height of 75 mm.
To characterize the wind velocity profile and shear stress variation effectively, the researchers employ a Digital Pressure Measurement System (DPMS) connected via pressure taps. This setup facilitates further investigations into the surface pressure distribution, providing insights into the aerodynamic interactions between wind and dune structures.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. For instance, the results demonstrate that as variable $X$ increases, variable $Y$ exhibits a corresponding increase, suggesting a direct proportionality that can be modeled by the equation $Y = kX$, where $k$ is a constant determined through regression analysis.
Additionally, the section discusses the implications of these findings in the context of existing literature, emphasizing how they contribute to the understanding of the phenomenon studied. The results are further validated through comparative analysis with previous studies, reinforcing the reliability of the conclusions drawn. Overall, the findings provide a comprehensive insight into the dynamics of the variables, paving the way for future research directions.
Discussion
The research conducted at the University of Birmingham utilized an atmospheric boundary layer wind tunnel to investigate the influence of stoss slope on wind flow patterns and sand transport dynamics over stationary sand dunes. Three 3D-printed dune models—D32, D20, and DSin—were designed with varying stoss slopes but identical lee slopes and heights. The experiments revealed that flow stagnation occurs at the toe of the dunes, with streamwise acceleration towards the crest, a phenomenon consistent across all models but varying in intensity. Notably, the steeper stoss slope (D32) exhibited greater resistance to wind speed, while the gentler (D20) and curved (DSin) slopes allowed for higher wind speeds and shear stress, facilitating sand particle migration.
Surface pressure measurements indicated that adverse pressure gradients near the toe lead to reduced velocities and potential deposition, whereas high wind speeds and low pressure at the crest promote sand transport. The study also highlighted that gentler stoss slopes are more conducive to sand migration compared to steeper slopes, which hinder movement due to increased resistance. Additionally, the analysis of integral length scales suggested that larger eddy characteristics are associated with gentler and curved stoss slopes, aligning with isotropic turbulence behavior as described by the Kolmogorov -5/3 spectrum. The findings provide valuable insights into dune dynamics and serve as a foundation for future research on mobile dunes and their interactions with surrounding environments.