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。     

西南涡大气边界层结构的数值模拟Ⅱ:边界层物理量的数值分析

本文在计算分析了一个西南涡Ekman层流场特征的基础上,进一步对该西南涡边界层涡度、散度和垂直速度进行了数值分析,初步得出了西南涡在边界层内的垂直结构及物理量分布特征。     

戈壁夜间大气边界层的数值模拟研究

本文采用一维非定常边界层模式研究了戈壁下垫面夜间边界层的结构和发展规律，得到了戈壁下垫面的夜间冷却条件下辐射逆温层的形成和发展以及下波风建立的典型时空图象。并与实测资料进行了比较。文中还对局地逆向流和地面降温率对辐射逆温层高度和下坡风的影响进行了试验。     

黑河地区边界层平均结构和通量的数值模拟

利用ＮＭＣ２．５°×２．５°同化资料，采用改进的高分辨Ｂｌａｃｋａｄａｒ边界层模式，对１９９１年７月７日０８ＢＬＴ（北京时）至次日０８ＢＬＴ黑河地区边界层平均结构和通量进行了２４ｈ数值模拟，得到一些较为合理的结果，给出了不同下垫面上晴天和夜间的边界层结构特征和通量演变，边界层结构与下垫面和天气条件关系甚密，并与已有观测结果基本一致．     

城市及乡村大气边界层结构的数值模拟

建立了一个研究城乡非均匀下垫面陆面物理过程与大气边界层相互作用的模式。模拟了城市及郊区、乡村下垫面的地面热量通量、地表温度、混合层高度及大气边界层结构等特征。对城乡之间的差别进行了对比。模式主要依赖于以下参数和物理量：地面反照率、下垫面粗糙度、土壤的可含水量、下垫面的热容量和热扩散系数、云量等参数。结果表明,本模式能合理地模拟不同地表热量平衡、地表气温、混合层高度、湍流交换系数、湍流动能、位温廓线等,以及它们的日变化。该模式所取参数主要针对北京市,时间为九月初,对于其他城市,参数应作相应的调整。本模式还可以用于其他均匀或非均匀下垫面的模拟。     

海洋大气边界层中大气气溶胶产生和发展数值模拟

建立了一个包含凝结过程、核化过程、凝并过程并可以描述粒子尺度变化的大气气溶胶模式,模拟了遥远海洋大气边界层中背景大气气溶胶的发展演变过程,计算结果表明气溶胶数浓度和ＳＯ２的大气浓度之间不是线性关系。新粒子的产生能力决定于已经存在的粒子分布和ＳＯ２浓度,已经存在的粒子减弱了新粒子的产生能力,而ＳＯ２浓度则明显地对粒子的产生有加强作用。     

从不稳定到近中性大气边界层的大涡模拟

用大涡模拟方法对不稳定到近中性层结的大气边界层情况进行模拟。模拟条件为：地面运动学热通量0.0001～0.2 K·m·s^-1、地转驱动风速0～15 m·s^-1,对应的无因次稳定度参数 - z/L 为0.0062～368。模拟结果显示,大气边界层直到 - z/L＝0.668的近中性情况,其热通量和动量通量等仍保留着典型对流边界层的基本特征,可由模式较好地求解,且在近地面与观测结果相符较好。对更接近中性的情况,模式分辨率限制了对边界层湍流特性的求解。在大风、弱不稳定边界层条件下模拟发现有滚动涡现象出现,其稳定度范围大致对应- z/L 的取值0.668～24.6。     

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.     

大涡模拟与大气边界层研究--30年回顾与展望

对大涡模拟(LES)技术应用于大气边界层(PBL)研究30年来的发展历程、应用前景及发展趋势作了简要评述,内容包括:LES网格体积平均方程组,次网格闭合方案(K闭合、湍能(TKE)闭合、二阶闭合、动力学闭合、随机闭合、各向异性TKE闭合和非线性闭合);均匀、非均匀下垫面对流边界层(CBL)的大涡模拟,稳定边界层(SBL)、实际PBL的大涡模拟,森林下垫面流场和建筑物周围流场的大涡模拟,污染扩散的大涡模拟,LES-化学模式,对流层大涡模拟,大涡模拟对模拟域、网格及大涡时间尺度的敏感性,适用于LES和中尺度模拟的湍流方案研究等.提出了LES需要进一步研究的问题,如次网格(SGS)闭合方案,物理过程参数化方案,高分辨卫星和Doppler雷达资料的使用,与中尺度模式的连接与嵌套等;以及可能的应用领域,如大气湍流发展及湍涡相互作用,复杂地形流场及城市边界层模拟,污染扩散模拟,LES-大气化学模拟,中尺度气象模拟,数值天气预报及大气环流模式中高分辨边界层方案(大涡机制)的引入.希望能为大气边界层研究与应用中发挥LES模拟效能的成功实施起到一定的推动作用.     

戈壁下垫面大气边界层温,湿结构的数值模拟

本文利用二维大气边办层模式研究了平坦、均匀戈壁下垫面对流大气的位温和比湿廓线及共时间变化的垂直结构，与实测廓资料比较表明模拟结果表基本反映了对流条件下，戈壁下垫面大气边界层中温、湿结构特征。     

层流边界层流动数值计算的伪谱方法

通过引入身气泡的方法可减少船（或艇）在水中的摩擦阻力，作为这一问题的部分工作，对平板在自由来流情况下的层流边界层用伪谱方法进行了数值模拟，直接用伪谱矩阵方法对边界层方程进行离散计算，与经典结果相比较，本方法求解的结果精度一致，速度更快。     

管束间复杂区域流场的离散涡数值模拟

对管束间复杂区域流场的数值模拟方法进行了分析,针对管束绕流的具体困难,对现有基于Lagrange框架的离散涡方法进行了改进并提出相应的数值算法.改进后的算法只需用较少的涡元数量,使管束绕流的快速计算成为可能.将数值模拟结果与实验进行对比,发现无论是瞬时流场还是平均速度和脉动速度分布的结果,两者都非常吻合.证明提出的离散涡方法模拟管束间的单相流动是完全可行的.     

离散涡丝方法模拟矩形射流场的研究

采用三维离散涡方法对不可压矩形射流场进行了数值模拟,结果发现与圆射流不同的是,即使在不加扰动的情况下,封闭涡丝也极不稳定,不再呈现矩形,而是波浪形,并有流向涡产生.矩形涡丝失稳和演变的程度都比圆形涡环的情形更快,本文结果对于矩形射流的利用具有指导意义.     

对流边界层中高架烟流扩散的大涡模拟研究

论文用大涡模拟技术对对流边界层中高架烟流的扩散进行了模拟,在对流边支中对高斯扩散模式的使用进行了修正,由Willis等（1978）的对流槽扩散实验数据求出虚拟源高,代替高斯烟流扩散公式中的源高,由此求得的横风向积分浓度分布与实验结果和数值模拟结果吻合较好,并用KNRC试验No52的资料作了验证,结果表明：修正后的高斯扩散模式的模拟效能良好。     

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     

溢流反弧段紊流边界层变化规律的数值模拟

在溢流反弧段流线同心圆假定的基础上,通过理论推导,建立了表征反弧段动水压强、壁面势流流速、壁面切应力的相应表达式;将描述边界层发展变化规律的连续方程、动量积分方程、动能积分方程联立,并运用列主元高斯消去法将其转化为一阶微分方程组,采用双边法求其数值解,从而模拟出反弧段水深、边界层厚度以及流速分布指数的沿程变化规律。     

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。