湍流动能参数化在中尺度模式中的应用研究

在中尺度区域模式MM4的基础上对其中的湍流参数化方法作了改进,用湍流动能参数化方法代替原有的总体边界层方案中的局地K闭合,以高精度边界层方案作为控制方案,重点对1997-07-17的徐州暴雨进行了模拟。对湍流场的计算表明,这种闭合得到了合理的湍流场,代入模式计算稳定,预报的各物理量空间分布和原来的预报场相似,24h降水预报的位置没有改进,但是降水量有所提高,表明用湍流动能闭合方法代替局地K闭合是一种有希望的研究方向。该方法得到了比原模式中的湍流闭合方案更加合理的湍流扩散参数,对中尺度模式的改进有所帮助。     

用中尺度模式输出污染气象的拉格朗日湍流统计量

大气对污染物的稀释和扩散能力随气象条件的改变而发生巨大的变化，而各种湍流特征参数能反映出大气对污染物的扩散能力，因而计算这些参数对污染物浓度的预报有很大的帮助．以往，各种湍流特征参数都是通过局地测量获得的，而要获得较大尺度的扩散背景场，单靠单点测量是做不到的．试图利用MM5模式中的中尺度模式输出量来计算一些湍流特征参数，这些参数可以代表网格上的平均值．选择了MM5中的Mellor-Yamada level 2.5的边界层参数化方案，用输出的q^2-(湍流动能的两倍)，再通过解一个代数方程组，求得另外的各种二阶湍流矩量u^2-、v^2-、w^2-。然后利用这些二阶矩量来计算拉格朗日积分时间尺度、自相关系数，尝试用中尺度模式来输出这些量．经计算结果的分析表明，模式输出的这些拉格朗日湍流统计量是合理的，因而利用这种方法来计算拉格朗日湍流统计量是可行的，进一步，这种方法可应用于空气污染扩散的预报中．     

由中尺度风温场模拟湍流属性特征量

主要讨论了由中尺度模式中输出的风、温场用完全的二阶闭合方法,求取湍流二阶矩量,进而求得方差、湍流强度等湍流特征量,研究这些湍流特征量的时空分布规律,利用中尺度模式输出的风、温场,对不同下垫面上的湍流量的性质进行分析研究,以便 进一步了解中尺度系统中湍流结构的物理特征,对研究大范围的污染物的扩散很有帮助,研究结果表明模拟的湍流特征量符合已知规律;湍流强度有明显的日变化,湍流强度与下垫面的粗糙度有关,粗糙度大的地区,湍流强度也大;平坦地区,湍流强度小;湍流强度与稳定度有关,不稳定情况下的湍流强度比稳定情况下的湍流强度来得大,并进一步分析了不同稳定度下的归一化湍流速度标准差的廊线,也符合已知的观测及边界层模式的湍流量的模拟结果,方法为用中尺度模式预报风、温场诊断湍流场提供了一个有效的方法。     

一个含地形的二阶矩湍流闭合的大气中尺度数值模式

建立了一个包含地形作用的二阶矩湍流闭合的二维大气中尺度数值模式，该模式不仅具有描述大气边界层及其内湍流结构的能力，而且还能很好地模拟非线性地形波、波破碎观象以及波破碎区内的湍流结构．     

中尺度WRF模式在资源环境评估领域的应用进展研究

中尺度WRF模式是由美国国家自然科学基金和NOAA共同支持的新一代中尺度预报模式和同化系统.它采用高度模块化、并行化和分层设计技术,具有更为合理的模式动力框架、先进的三维变分资料同化系统、更丰富的内部参数化方案.介绍了WRF模式的动力学框架、WRF模式的各种参数化方案、近15年来WRF模式在气候资源预报领域的应用.最后,对WRF数值模拟存在的问题进行了阐述,并展望了WRF数值模拟今后的发展趋势.     

湍流模式——研究现状与发展趋势

随着人们对湍流运动的物理认识的深入,湍流模式的研究近年来有了长足进展,以线性的涡粘性和二阶矩闭合模式发展到非线性的描述,以模式系数的经验标定进入了理性推导。传统上湍流模式建立在连续介质力学理论基础上,目前统计力学方法也被成功地应用于模式的研究,如概率密度函数方法和重整化群理论等。本文除介绍和讨论了目前工程应用中常见的一些湍流模式外,还就作者本人的研究体会探讨了湍流模式的研究动向和发展趋势。     

藉不可逆热力学理论改进中尺度数值天气预报模式水平扩散参数化的一个尝试

大气动力学控制方程组中引入的诸水平扩散项虽属模式动力学的一个组成部分,但从目前通用的四阶扩散算子的数学表示以及实际计算/模拟的效果看,无论线性或非线性的方案均不能恰当地反映扩散的物理实质,从而影响到预报和模拟精度.针对原水平扩散方案中不符合物理耗散规律的部分进行修正,藉刻画多体系统不可逆过程演变方向的热力学第二定律重新构造了一个改进的水平扩散方案以取代原方案,最后通过一个具有解析解的趋于定常流动的一维Burgers方程和1992年在美国佛罗里达州登陆的飓风Andrew个例的计算,揭示了改进方案所取得的若干有意义的结果:对于Burgers方程,采用改进方案后获得了与解析解一致的数值解,而对于飓风Andrew(1992)则获得了与实际观测资料更加接近的地面最大风速和最小气压随时间变化的模拟预报结果.     

WRF不同边界层参数化方案对重庆一次暴雨过程的模拟

利用中尺度天气预报数值模式(WRF)中的3种边界层参数化方案(YSU、MYJ和ACM2)模拟了重庆2012年8月30日-9月1日的一次暴雨过程,结合同期的观测资料分析了3种不同边界层参数化方案模拟降水强度和降水落区的差异,对各方案模拟重庆区域内的降水能力进行了检验评估.通过垂直速度、水汽通量散度和相对涡度等基本物理量的诊断,对比分析了不同方案模拟降水的差异.结果表明, 3种边界层方案均能模拟出此次雨带的移动方向,但YSU方案能较好地模拟出降水落区、降水强度和降水趋势, MYJ方案模拟效果次之, ACM2方案模拟效果较差. YSU方案模拟降水的动力条件和水汽条件配置符合实际降水情况,是模拟效果较好的主要原因.     

一个湍流重正化群二阶矩封闭模式的数值模拟

通过对充分发展旋转槽道和后台阶流动两个二维定常湍流问题的计算,比较了标准k-ε模型、Gibson-Launder二阶矩和一个基于湍流重正化群理论推导的二阶矩模型模拟复杂湍流运动的能力,尤其是检验这种新型的湍流重正化群二阶矩模型的性能．计算结果表明,与标准k-ε模型相比,Reynolds应力模型能够捕捉到旋转流动中由旋转带来的湍流流场结构的改变,能更准确地预测后台阶流动中的回流区长度,对于各物理量的计算,湍流重正化群二阶矩模型和Gibson-Launder模型的精度相当．     

一维冰相云参数化模式的数值试验

对一维冰相云参数化模式进行了一系列数值试验。试验结果表明,大气条件如水汽、上升运动速度和垂直湍流扩散系数等的变化,对各水凝物及其生成项有显著的影响,而各生成项对于模式参数数值上的差别,相对不十分敏感。     

基于任意级配的二维随机骨料生成方法

为解决目前二维骨料生成算法对任意级配适应性较差的问题,通过对三维骨料模型截面上二维骨料粒径分布的统计分析建立了一种可用于确定任意级配的二维骨料质量积累分布函数的数值方法,并利用Fuller级配从理论上对该方法的正确性进行了论证.在此基础上,从降低需模拟的骨料数目、提高细观模型生成效率的角度对目前的混凝土细观模型进行了再细化,提出了亚细观模型的概念,并利用上述方法模拟得出工程中常见的细骨料和粗骨料的二维骨料质量积累分布函数.     

细观层面的混凝土碳化过程数值模拟

为在细观层面上研究混凝土碳化问题,首先建立了基于积累分布函数的三维球形骨料生成方法,分析了随机性对模拟结果的影响,对骨料最大粒径、最小粒径和体积分数的选取原则进行了讨论.建立了简化的混凝土碳化数值模型,分析了骨料对宏观层面混凝土碳化行为的影响.结果表明,骨料的稀释效应和扭曲效应将降低混凝土的碳化深度;骨料在水泥浆中的非均匀分布将导致宏观上混凝土碳化深度的非均匀性.     

中尺度η坐标模式研究进展

简介国内外η坐标模式研究概况 ,着重给出我们改进完善的中尺度η坐标模式的最新进展 ,以及其中高分辨率 1 6层中尺度η坐标模式用于暴雨数值预报及飑线数值模拟研究的情况。     

用CFD方法改进室内非等温送风气流组织设计

用合理的湍流模型和风口模型模拟非等温送风室内空气流动情况,并用一个非等温送风的实例进行了验证．然后利用该湍流和风口模型对一个工程实例非等温送风的室内空气速度场、温度场进行数值模拟,同时也给出利用传统射流理论的分析结果与之比较,借此分析当前室内非等温送风设计中通常存在的“冷风下坠”和“热风上浮”问题,指出传统射流设计方法的不足,从而提出一种利用CFD方法改进非等温送风气流组织设计的方法,并将其应用于中所提工程实例以说明该思路是可行的．     

对流边界层高度预报方案的改进

基于对流边界层“一阶模型”,并考虑机械湍流和夹卷过程对对流边界层发展的贡献,提出了对流边界层顶部夹卷速度参数化的改进方案.理论分析表明,在对流边界层受热力湍流和机械湍流共同驱动的情况下,夹卷速度的参数化方案中应该包括机械湍流、热力湍流、夹卷过程和边界层顶上自由大气的逆温强度.用1979年7月美国CIRCE试验的边界层观测资料对改进后的参数化方案进行了对比验证,结果表明新方案能很好地预报对流边界层高度的演变过程.这一改进不仅使物理意义更加合理,也使夹卷速度参数化方案与实际大气状况符合得更好.     

非圆挠性传动(非圆链传动)的若干运动几何学基础问题

探讨了非圆挠性传动的运动几何学问题,包括非圆链传动的各类瞬心、瞬心线、非圆链轮节曲线的滚动特性、奇点等几何特征,据此揭示了非圆齿轮与非圆链轮的内在联系,并发现链条节曲线同两链轮节曲线瞬时滚过的弧长一般并不相等。     

一种可应用于旋流计算的非线性代数应力模型

从Rodi提出的代数应力模型出发,根据张量不变性函数理论,导出雷诺应力与平均速度梯度之间较通用的,含有速度梯度二次导项的模型公式。该模型保所需系数与ASM中的系数常数完全相同。非线性本构方程为显式关系式,在体现了非线性关系的同时,又避免了求解应力的代数方程组难于收敛的困难。     

基于三维微-细观尺度模型的混凝土力学性能研究

依据水泥种类、水灰比、配合比和骨料级配等信息,在微观尺度上引入CEMHYD3D水化模型重构了水泥浆模型、在细观尺度上发展硬核/软壳模型构建了混凝土模型;研究基于Rankine准则和损伤模型的适用于混凝土微-细观模型的数值均匀化方法,从而提出混凝土力学性能递进分析和预测方法。算例分析表明,提出的方法能够较好地分析和预测混凝土的宏观力学性能;通过老化病害过程微观尺度的模拟,可实现混凝土老化病害机理分析。     

New Statistical Theory and a k-ε-PDF Model for Simulating Gas-particle Flows

ＮｅｗＳｔａｔｉｓｔｉｃａｌＴｈｅｏｒｙａｎｄａｋ┐ε┐ＰＤＦＭｏｄｅｌｆｏｒＳｉｍｕｌａｔｉｎｇＧａｓ┐ｐａｒｔｉｃｌｅＦｌｏｗｓ＊ＺｈｏｕＬｉｘｉｎｇ（周力行），ＬｉｎＷｅｎｙｉ（林文漪），ＬｉＹｏｎｇ（李勇）ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｇｉｎｅ...