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.     

气液旋流器内液滴破碎和碰撞的数值模拟

气液旋流分离器内是一个复杂的强旋湍流场,流场内的液滴受气动力、剪切力和湍流脉动的作用,发生剧烈的相互碰撞、聚合、破碎并撞击筒壁.对旋流器内液滴间的碰撞、聚合、液滴的破碎和碰壁的机制进行分析,在前人研究的基础上,结合旋流器的实际情况,提出适用于气液旋流器强旋气相湍流场内液滴问碰撞、液滴破碎和碰壁过程的计算模型,对新的数学模型进行数值模拟计算.结果表明,本模型能较为准确地预测强旋气相湍流场内液滴间碰撞、液滴破碎和碰壁过程,完善了气液旋流器的分离机制模型,为改善其分离性能及其工程设计提供了理论基础.     

高频测量输沙浓度对湍流脉动的频率响应

为揭示风沙流中输沙浓度对湍流脉动的响应频率,在边界层风洞中对不同粒径沙样进行了两相同步测量.采用高速数字相机以2 000帧/s拍摄跃移粒子连续图像以计算瞬时输沙浓度,配合热线风速仪同步记录跃移层内的湍流脉动.结果表明,沙粒瞬时浓度变化呈典型的随机过程,其频谱规律表明输沙浓度只能响应含能较高的低频湍流脉动.引入小波包变换分析两相数据的能量结构,结果显示沙粒浓度的能量波动约有90%集中在500 Hz内的低频段.输沙浓度对湍流脉动的响应频率受粒子尺寸的影响,对于100～125μm的小粒径沙样,阈值响应频率约为40 Hz,对于300～500μm的大粒径沙样,响应频率约为30 Hz.     

轴向旋转通道内浮升力对湍流影响的直接模拟

采用直接数值模拟方法对绕截面中心轴旋转的方通道内的充分发展湍流进行了数值模拟,湍流雷诺数和普朗特数分别为400和0.71.为了分析浮升力对流体运动的影响,给出了不同格拉晓芙数Gr下的主流平均速度场、温度场、二次流、湍流强度、雷诺应力等湍流统计量的分布情况,并对旋转效应的稳定与否以及由此对湍流统计量的影响进行了分析.结果表明:旋转效应稳定的区域湍流受到抑制,旋转效应不稳定的区域湍流增强,随Gr的增加旋转效应稳定性变得更加复杂;浮升力对流场和温度场有明显的影响,随Gr的增加影响更加明显.     

部分相干双曲余弦高斯光束在湍流大气中传输的光谱变化

基于广义惠更斯-菲涅尔原理,推导出了部分相干双曲余弦高斯(ChG)光束在湍流大气中的光谱传输方程,研究了湍流对其光谱特性的影响,得出了一些有意义的结论,并给予了合理的物理解释.研究表明,部分相干ChG光束通过湍流大气传输其光谱特性由源光谱、光束相干参数、光束离心参数、大气折射率结构常数和观察点位置等因素共同决定.湍流使轴上点光谱移动量减小.当湍流增强到一定程度时离轴点还存在光谱跃变现象,发生跃变的临界位置和光谱跃变量随湍流的增强而增大.此外,光谱跃变的临界位置随着离心参数的增大而远离传输轴,光谱跃变量随着光束相干参数的增大而增大.     

水下退化图像处理方法

针对水下图像退化现象严重、有效信息提取困难等问题,提出了水下退化图像处理方法.该方法通过分析水下图像退化过程,提出了基于大气湍流模型获取水下图像退化函数的方法,并利用频域滤波完成了退化图像的复原工作;进而将人工鱼群优化算法与图像二维Abutaleb熵信息相结合,利用一种二维最大熵阈值分割算法进行图像有意义区域分割.由于人工鱼群算法不需要了解问题的特殊信息,只进行问题优劣比较,使得该算法自适应性和收敛速度得到大幅提升.水池实验结果表明:该方法明显改善水下退化图像模糊度高、对比度低的问题,具有较优的分割效果,处理过程时间较短,具有一定的实用性.     

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.     

北京城区强风湍流度的统计分析

对北京气象塔2005—2007年强风湍流数据进行了统计分析,得到湍流度的变化规律.对顺风向、横风向及竖向的湍流度进行了拟合,并与日本风荷载规范的顺风向湍流度剖面做了对比分析.结果表明:在47 m高度处,湍流度随平均风速呈现先减后增的变化规律,并且顺风向、横风向、竖向的变化规律保持一致;实测湍流度之间的线性相关性非常明显,与Solari和Piccardo经验公式存在一定的差别;顺风向湍流度的实测值与日本规范相比在低空段差距较大,在高空段几乎接近.     

湍流与蠕虫的DNA序列的多重分形谱分析

为了用多重分形谱理论定量描述复杂系统的内部结构,详细讨论了多重分形谱中各参量的物理意义,给出了计算多重分形谱的公式,并采用小波WTMM(wavelet transform maxima modulus)算法计算了多分形Cantor集、湍流和DNA序列的多重分形谱。研究结果表明:多分形谱分析能够得到序列(或集合)不均匀的整体分布信息,湍流与DNA的多分形特性十分相似,DNA比湍流更不均匀,"混乱"特性似乎更充分,基于小波算法的WTMM理论可以用来计算复杂现象的多分形谱,计算结果是可信的。     

圆管弯道内部流动数值模拟及湍流模式比较研究

运用有限体积法数值离散雷诺平均的Navier-Stokes方程,对90°大曲率圆形截面弯管内的湍流流动进行了计算模拟(其中雷诺应力分别采用标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型进行封闭),并将计算结果与实验资料进行了比较.结果表明,RNG k-ε湍流模型结合双层壁面区域处理方法能够较为准确地模拟大曲率管道中的流动现象.