垂直涡度方程的比较分析

通过对经典垂直涡度方程、全型垂直涡度方程、新型垂直涡度方程之对比分析,发现由位涡方程出发导出的全型垂直涡度方程存在着不足:(1)在θz=θz=0的中性层结情况下,方程不适用;(2)在一般情况下,全型垂直涡度方程不能准确反映力管项-α×p作用对垂直涡度变化的影响;(3)全型垂直涡度方程高估了倾斜涡度强迫对垂直涡度发展的作用.     

西南涡大气边界层结构的数值模拟Ⅰ:Ekman层流场特征分析

本文利用大气边界层模式,对1979年7月24～25日的一次西南涡进行了Ekman层流场分析。在理论计算的前提下,通过加入有限的实测风资料进行动力学调整,不仅在Ekman层中能较好地表现出西南涡的气旋性环流特征,而且发现西南涡在大气边界层中具有中尺度扰动的特征,在整个气旋环流的形势中有局部的反气旋环流出现,这是850hPa、700hPa大尺度天气图上所不能得到的。     

现代气象资料在飞机颠簸预报中的应用

飞机颠簸是大气中的湍流引起的。本文分析了空气的湍流运动与飞机颠簸的关系,以及空气的散度、涡度、温度平流的变化带来的垂直运动与飞机颠簸的关系,从理论上推断出利用垂直速度场、散度场,涡度场,温度平流场等现代气象资料预报飞机颠簸的可行性。并结合实际资料,对所得结论进行了验证。     

边界层气象要素垂直廓线的数值计算

借助于湍流能量方程和湍流耗散率方程，用方程组闭合的方法，建立了大气边界层模式。采用单点常规的气象观测资料，计算了大气边界层内外特征参数和气象要素的垂直廓线，再现了边界层的结构特征，计算结果与系留探空观测比较，廓线的变化趋势基本一致。     

湍流边界层Lagrangian拟序结构的辨识

用时间连续二维PIV测量充分发展湍流边界层,对测量得到的（x,y）平面速度场应用有限时间Lyapunov指数方法辨识Lagrangian拟序结构,发现湍流边界层中的典型Lagrangian拟序结构（LCS）是广义马蹄涡结构,其一端延伸至近壁流区,另一端向外层伸展,在头部具有明显的展向旋转趋势．对从FTLE场中辨识出的LCS的空间形态进行统计分析,发现LCS的倾斜角θ的概率密度分布在近壁区符合t分布,而在外层呈现为双峰分布,其概率峰分别对应马蹄涡的头部和颈部．空间相关分析表明,LCS的平均倾斜角靠沿法向先增加后减小,其数值和变动趋势与瞬时LCS倾斜角θ的均值相同．θ的最可几值在y^＋=100附近达到最大值24°,说明马蹄涡由涡颈过渡到涡头的位置最有可能出现在y^＋=100附近．最后对FTLE场进行了时间一空间相关分析,发现LCS的平均对流速度沿法向的分布在对数区与当地边界层的时均速度型基本一致,说明在湍流边界层中马蹄涡的对流决定了边界层内的流体输运特性．     

边界层转捩过程中环状涡和尖峰结构的演化

采用高精度直接数值模拟方法, 研究在边界层转捩过程后阶段中的环状涡和尖峰结构的非线性演化及其对流动的影响. 以平板可压缩流边界层转捩为例, 精细的数值模拟清楚地展示了环状涡等典型的涡结构及其上喷和下扫的流动现象, 证实了边界层转捩过程中尖峰结构的形成与环状涡紧密相关, 特别是, 对于最近在实验中观测到的正尖峰结构, 文中的数值结果也发现同样的结构, 并进行了相应的机理分析.     

大涡模拟方法在非均匀边界层研究中的应用

首先回顾了大涡模拟方法在边界层研究中的应用 ,总结了该方法在非均匀性研究中的概况。然后 ,用大涡模拟方法 ,并且启用陆面模块 ,模拟了真实下垫面条件下地表热量通量和动量通量的分布和边界层气象场 ,初步分析了非均匀下垫面对边界层结构的影响     

边界层人工转捩的大涡模拟及壁面脉动压力研究

为了验证边界层人工转捩技术实现船模边界层壁面脉动压力载荷相似的可行性,采用大涡模拟以及功率谱估计获得平板湍流边界层壁面脉动压力功率谱,并与试验值、半经验模型值进行了对比,验证了数值模拟的可靠性。采用大涡模拟获得了绊线上下游壁面脉动压力的均方值、自功率谱和波数频率谱;以脉动压力均方值、自功率谱特征为判据,对比了方形、锯齿形绊线的转捩效果。结果表明:绊线高度雷诺数大于吉宾斯雷诺数;两种绊线均可实现边界层转捩,且壁面脉动压力的功率谱特征、谱级相近;与同流速平板湍流边界层相比,即使在当地雷诺数较低时,绊线下游边界层壁面脉动压力自功率谱平台区仍然高出10 dB左右。设计的绊线可用于减弱船模边界层壁面脉动压力的尺度效应,并有助于实现壁面脉动压力载荷相似。     

振荡流底边界层运动的数值研究

将大涡模拟法简化为二维形式,利用SGS格子涡模型封闭二维Navier-Stokes方程水流运动方程组,得到平底振荡流动边界层立面二维水流数值模拟,控制方程采用SMAC法求解,计算结果与水槽实验的实测资料比较较表明,该模型能够模拟振荡流边界流动特性,并进一步讨论了振荡流边界的紊动特性沿垂线分布和随相位变化的情况。     

四川盆地非典型暴雨过程分析

 基于NCEP 1°×1°资料,且在高空探测和卫星云图的基础上,利用涡度方程分析了2009年6月28日四川盆地发生的区域暴雨过程,结果表明:①500 hPa环流变化与贝加尔湖南侧低槽扰动及高原切变线有关,在暴雨开始前后降水环流形势出现较快的调整,贝加尔湖冷槽南移影响四川盆地.700 hPa西昌一带的西南风加大,并在雨区具有中尺度结构的降水云团发展.②诊断分析表明,局地涡度分布对降水系统的发展具有重要作用,在短波槽扰动区域内,通常∂ζ/∂t>0.暴雨临近时,正局地涡度变化区域偏北,槽偏北,雨区仍为负局地涡度.暴雨开始时,雨区上空转为正局地涡度.在700 hPa上,正局地涡度的分布也对低层降水系统发展起到重要作用,正局地涡度变化的分布首先是开始于盆地西北部,然后发展到暴雨区域,再逐渐往盆地南部发展,与云团移动路径和降水发生趋势较为一致.③一定程度上,当500和700 hPa两层的正局地涡度变化中心位置叠加在同一地方时,正涡度深厚,往往是暴雨发生的区域,因此正局地涡度变化可以作为判断降水落区的一个物理要素来参考.     

用湿位涡定义的南海西南季风指数及其与我国区域降水的关系研究

使用美国NCEP／NCAR1958－1997年逐日资料,对南海季风爆发前后的气象要素场作了分析。结果表明：南海季风爆发时,南海南、北部要素场变化有差异,北部西南季风爆发特征更为显著。针对南海西南季风爆发特征,提出了用湿位势涡度定义季风指数,它能很好地反映夏季风爆发的特征。其中,用湿位热涡度定义的季风指数对长江中下及华北华南地区的旱涝具有一定的预示性。相关分析表明：前一年冬季的季风指数和秋季的季风指数分别与华北次年夏季降水、华南次年春季降水有显著的相关,而当年夏季的季风指数与长江中下游当年秋季降水呈显著正相关。     

空间变化的涡粘系数对线性Munk边界层解的影响

基于Ｐｅｄｌｏｓｋｙ（１９８７）的线性Ｍｕｃｋ边界层模型，引入一随纬向空间变化的侧摩擦系数ＡＨ（ｘ），以探讨该参数对西边界流的强化结构的影响。结果发现，在风应力和内区解保持不变的情况下，适中线性变化的ＡＨ（ｘ）会使西边界层内的向北急流和其靠内区一侧的逆流均得到加强。文中还给出摩擦应力，相对涡度及平均动能向涡动能的转化率在西边界层内的分布情况。     

湍流边界层雷诺应力和壁脉动压强相位滞后分析

在风洞平板湍流边界层外层引入圆柱尾涡的周期性扰动,在尾流干扰下的湍流边界层内进行测量,对相位滞后关系进行了实验研究,给出了湍流边界层内的雷诺应力和壁面脉动压强相对于边界层内的大尺度结构变形率的相位滞后沿壁面法向的变化趋势,分析结果表明剪切湍流涡粘模式中的涡粘系数应该是随时均流梯度变化的复数形式.     

逆压梯度边界层壁面局部微振动诱导大涡结构

以边界层流动的Falkner - Skan解为基本流场,利用直接数值模拟方法求解三维不可压缩N-S方程,研究了单个周期壁面局部微振动诱导有压梯度边界层内大涡结构的演化过程.结果表明:无论是零压梯度或者逆压梯度边界层中,大涡结构初始扰动速度分布面积与幅值是相似的,但随着时间的推移,不同逆压梯度边界层中的大涡结构扰动速度幅...     

采用球窝控制边界层分离流动的大涡模拟

用具有逆压梯度的平板分离流动模拟低压透平叶片吸力面的分离流动,采用基于动力Sma-gorinsky亚格子应力模型的大涡模拟对逆压梯度条件下布置在平板上单个球窝的流动特性及球窝对边界层分离流动控制的效果进行了研究,详细考察了球窝前沿边界层厚度和球窝深度的比值R分别为0.378、0.994和1.453时球窝的流动特性和控制性能.结果表明:R较小时控制性能最好;球窝内部的马蹄涡对球窝的流动起主导作用;球窝内的马蹄涡周期性脱落并在球窝尾迹区形成发夹涡排,发夹涡涡腿紧贴壁面形成流向涡,流向涡卷吸主流高能流体,由此增强了边界层能量.马蹄涡和发夹涡排对分离流动控制起主要作用.     

涡旋射流控制逆压梯度平板边界层分离的涡结构研究

为了研究涡旋射流控制边界层分离的物理机理,设计、搭建了涡旋射流控制逆压梯度平板边界层分离实验台,在此基础上对低雷诺数下平板边界层分离及射流控制进行了实验和数值研究.通过对比不同射流控制方式的统计特性及射流控制效果,揭示了射流流场大尺度相干结构的演化规律.射流瞬时流动细节的研究表明:发卡涡和类发卡涡是逆压梯度环境下直射流和斜射流中比较典型的涡结构;在斜射流中,随着类发卡涡的发展,射流孔下游发展成熟的类发卡涡涡腿外侧出现了不断增强的次生流向涡结构;次生涡结构对壁面附近能量的增大和质量的输运、耗散具有重要的作用.经对比发现,斜射流控制流动分离的效果明显优于直射流.     

不同周期壁面局部微振动诱导边界层大涡结构

以平板边界层流动的Blasius解作为基本流场,利用直接数值模拟方法求解三维不可压缩N-S方程,研究了边界层中单个周期壁面局部微振动诱导大涡结构的过程.计算结果表明:壁面扰动完成时,周期为7.5,10和12.5诱导大涡结构的初始扰动速度与空间分布稍有差异.若周期为12.5,随着时间的增加,诱导形成的大涡结构扰动速度幅值不断增加,高低速条纹结构面积不断扩大;边界层近壁流向速度剖面存在较大拐点,雷诺应力明显大于周期为7.5和10的大涡结构.周期为7.5和10的诱导大涡结构较弱.壁面局部微振动可诱导边界层形成大涡结构,演化特性与局部微振动周期密切相关,周期越长,大涡结构强度也越大.     

平板边界层湍流的数值分析

对于不可压缩平板边界层的时间模式的直接数值模拟(DNS)而言,在转捩后继续计算,就可以得到湍流直接数值模拟结果.分析计算结果发现,当湍流充分发展后,其平均流剖面、各种量的脉动均方根值和雷诺应力等沿平板法向的分布都具有相似性.不过,从转捩完成至湍流充分发展之间有一过渡过程,其间上述相似性不成立.这一结果为简化但又较准确地计算工程技术问题中的湍流提供了一种可能性.此外,还分析了其他一些湍流特征,如形状因子和位移排移厚度随时间的演化规律.为了观察到相干结构,须将展向的计算域缩小一半,以增加分辨率,研究结果表明,湍流边界层近壁区存在相干结构,其主要表现是准流向涡或涡对.     

旋转坐标系对流体涡旋运动的影响

系统讨论坐标系的旋转对流体涡旋运动的影响 ,分析这种影响在地球物理流体力学相对涡度、速度环量及位势涡度方程的各种形式中的表现 ,以及与流体力学对应的 Helmholtz方程的变形形式 ,通过分析 ,更清晰地揭示科氏力产生 (或制造 )涡度及其影响涡度变化的机理。     

“5.20”暴雨天气过程分析

利用常规气象资料,T213数值预报产品、FY2D卫星云图等从影响系统、物理量场诊断等方面对2009年5月20日发生在江西赣中、赣东北的区域性暴雨、局部大暴雨天气过程进行分析,结果显示这次暴雨过程是在高空低槽、中低层切变线、地面静止锋等天气尺度系统共同影响下产生的,暴雨区与垂直速度及涡度所表现的强烈上升区对应,并伴有高能高湿条件;地面弱冷空气入侵,导致行星边界层能量锋区加强;由于高空槽前强的正涡度平流和斜压性,高空槽云系发展成典型的斜压叶状云型,对应地面锋生和江淮气旋生成,降水加强。