临界理查森数对不稳定状态下边界层模拟的影响

在边界层参数化方案中,临界理查森数可以用来判断湍流状态和计算边界层高度。大部分模式会将临界理查森数设置为常数,但实际上它会发生改变。本文基于WRF（Weather Research and Forecasting）中尺度数值预报模式和YSU（Yonsei University）边界层参数化方案（以下简称WRF/YSU）,以一次夏季的晴好天气过程为背景,研究了当临界理查森数发生变化,会对气象场和边界层湍流产生的影响。结果表明：（1）当临界理查森数增加时,大范围区域的边界层的高度会增加。在时空上能够体现出来。在空间上,边界层高度分布不均。从时间上看,在下午边界层高度受到的影响最大;（2）理查森数的临界值增加,湍流扩散系数也增大,水汽混合比增加,并且地面热通量总体增大,又会进一步使边界层高度增大;（3）YSU方案中湍流扩散方程由一个局部项、一个非局部项和一个夹卷项组成。对于热通量,夹卷项对总热通量的贡献与局部项和非局部项的贡献相当。对于水汽和动量通量,局地项及夹卷通量项在边界层中最大。     

一类奇摄动方程组的内部层

用边界层函数法研究一类奇异摄动Hamilton系统的内部层问题, 得到了这类问题的一致渐近解, 并用缝接法证明其阶梯状解的存在性及形式渐近解的一致有效性.     

南极高原夏季Ekman边界层动力学分析

极地大气行星边界层动力过程及其对全球大气环流的影响是大气科学研究关注的重要问题.利用中国南极昆仑站2012和2013年夏季高分辨率的GPS探空资料,对南极高原大气边界层的动力特征进行了研究.结果表明,南极高原观测风随高度的变化规律与理论计算的Ekman螺旋曲线基本一致.风速随高度增加快速、风向左转.这是在南半球观测到的显著Ekman垂直结构特征.Ekman动力边界层的厚度较高,平均从900 m向上至3400 m,900 m以下为对流混合层.整个层结呈干冷和稳定状态,显示了南极高原边界层动力结构具有其独特性.计算的南极高原湍流摩擦应力明显大于中低纬度地区的值,表明南极高原行星边界层动力摩擦效应对全球大气环流的影响显著.     

磁云边界层中的等离子体结构

分析1995年2月至2003年6月间由WIND飞船观测到的50个磁云边界层(BL_s)中的等离子体结构发现: (1) 磁云边界层是一种非压力平衡结构, 它的总压力P_T,L(热压力P_th,L加磁压力P_M,L)通常低于边界层前面太阳风的总压力P_T,S和其后磁云中的总压力P_T,C, 边界层中增高的热压力P_th,L常常不能补偿其磁压力P_M,L的下降; (2) 磁云边界层中的电子与质子温度比(T_e/T_p)_L通常低于边界层前面背景太阳风的(T_e/T_p)_S和其后磁云中的(T_e/T_p)_C, 这常与质子的加热比电子明显相联系; (3) 在这些边界层中观测到等离子体反向流动的约占80%, 其中在3个方向(±V_x, ±V_y, ±V_z)观测到反向流动的约占20%. 磁云边界层中的这些基本结构与边界层中可能的磁重联过程相联系. 这些结果表明磁云边界层具有不同于邻近太阳风和磁云的等离子体结构, 它是磁云和太阳风之间存在重要的动力学相互作用的一种重要表现.     

二维泊松方程非均匀网格上的高精度紧致差分格式

提出了数值求解二维泊松方程基于非均匀网格的高阶紧致差分格式,通过选取合适的网格分布参数求解具有边界层的数值算例,空间可以达到四阶精度.并与均匀网格上的计算结果进行比较,充分验证了本文非均匀网格高精度紧致格式的精确性和优越性.     

压缩折角激波-湍流边界层干扰直接数值模拟

进行了来流Mach数2．9,24°压缩折角激波．湍流边界层干扰的直接数值模拟,在上游的平板添加扰动以激发边界层转捩到湍流．计算得到的统计结果与实验吻合,验证了结果的可靠性．分析了角部分离区附近湍能的生成、耗散及分配机制．结果显示角部区域激波与湍流边界层相互作用造成大量湍动能产生,而湍动能的主要耗散区仍在近壁．湍流输运项起到了主要的平衡机制,把湍动能由外层输运到近壁区．通过对激波后及壁面瞬时压力的分析,认为激波低频振荡并非上游扰动弓』起,而是由于分离泡本身不稳定振荡产生的．     

高超声速湍流边界层中由高温引起的变比热效应及其计算

对于高超声速飞行器,边界层内的温度往往超过600K,这时候分子的振动自由度将被激发,完全气体模型将不再适用.本文以高超声速平板湍流边界层为研究对象,用比热为常值的完全气体模型和考虑比热变化的气体模型对其进行了直接数值模拟.比较两种模型的计算结果发现,二者所给出的湍流边界层内只与速度有关的量差别很小,但与温度有关的量,如平均温度、脉动温度等,则有显著的差别.另外,通过数值验证,发现平均比热比与由平均温度计算出的比热比非常接近,这给用只以平均温度为变量的湍流模式计算变比热气体模型下的湍流,提供了一定的理论基础.文中用SST湍流模式,验证了用湍流模式计算变比热气体湍流的可行性.     

高超音速湍流边界层气动热计算中湍流模式的改进

湍流的工程计算主要依靠湍流模式,而对于高超音速湍流边界层,气动热的准确计算迄今还没有很好的解决.文中以超音速及高超音速小钝头锥湍流边界层为对象,用直接数值模拟(DNS)方法和BL模式计算了同样的7个算例,比较了二者气动热计算的结果,发现产生差别的原因是在模式中对涡导热系数与涡黏系数严格成比例的假设是不合理的.在理论分析的基础上,提出了在湍动能峰值附近对涡导热系数加以修正的方法,在所算的7个算例中证实了修正的有效性.     

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.     

多场耦合方程的多尺度渐近解

介绍由约束场和受重力影响的对流扰动耦合而成的衰减平衡向量场动力学方程的渐近求解.为分析实验室内微观与自然界中宏观现象的正则和奇异扰动问题,运用复合尺度方法进行傅立叶调和分析和尺度变化,并引进新的参数,将一个复杂的三维约束耦合动力学方程转化成复空间里一维的边界层问题.并做了渐近摄动分析,给出两个多场耦合中扰动问题的特征函数边界层解法的例子.在例2中对流场扰动问题分析,得出从指数振荡解过渡到代数解的转点.