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     

地表非均匀加热影响对流边界层湍流特征大涡模拟研究

本文运用大涡模拟方法研究了地表非均匀加热对边界层湍流特征的影响.共进行五个算例的数值模拟,其中一个算例为地表均匀加热,四个非均匀算例的地表加热方式均采用“马赛克”分布,非均匀尺度分别为1.2km、2.5km、5.0km和10.0 km,其平均地表热通量与地表均匀加热算例相同.模拟结果表明:地表非均匀加热激发出有组织湍流...     

地表非均匀加热条件下边界层湍流特征的实验研究

在下垫面非均匀加热条件下进行对流边界层的水槽模拟实验,并与下垫面均匀加热条件下的情形对比,研究地表热力非均匀性对边界层湍流特征的影响．结果表明,地表的非均匀加热使得混合层湍流的组织性得到加强,湍流涡旋结构的空间分布比较稳定,湍流强度也有明显的增强．进一步分析表明,对流边界层的发展受到下垫面热力非均匀尺度的影响,在对流边界层的发展过程中,当边界层高度为下垫面非均匀尺度的1．3～1．4倍时,夹卷速度（即边界层高度的抬升速度）最小．     

非均匀地表的湍流通量和掺混高度

叙述了掺混高度的概念及运用。利用大涡模拟作为手段,研究了地表平坦但地表热通量非均匀情况下的掺混高度。考察了地表热通量非均匀性尺度、风速以及非均匀性强度对掺混高度的影响,发现掺混高度是否存在以及高度受非均匀尺度和风速大小的影响非常明显,受非均匀性强度的影响不明显。若规定掺混高度出现在垂直湍流热通量水平涨落的标准差减为地表感热通量标准差5％的高度,这时掺混高度可以拟合为：Z_b = 1/C_wm * w'θ'_sfc/Θ₀ * L^a_hetero/U^b,其中a=1.266,b=0.854,C_wm=3.205×10^-3。     

地表热通量的变化对边界层热力对流卷的影响

以1995年8月14日在Florida观测(SCMS实验期间)的位温、水汽和风速等为初始化的大涡模拟结果,分析研究了边界层对流卷的发展及地表热通量对边界层热力对流卷的影响。分析了热力对流卷的位温、垂直速度及水汽混合比的关系。结果表明在边界层对流卷中,上升气流较暖湿,下沉气流较干冷。还研究了边界层对流卷的演变,结果表明当地表热通量增大时,对流会变得非常活跃,对流层发展的高度也会加深。而当地表热通量增大致超过对流卷维持的临界值时,已经无法观察出对流卷的线性特点。利用地表热通量对对流卷形成和消散的敏感性实验模拟结果,分析得出地表热通量改变时,对流卷的组织性和对流的强度发生的相应变化。减小地表热通量时,对流的强度明显减弱。对流卷的组织性较显著。增加地表热通量时,对流的强度增大,对流会变得很不规则,但当地表热通量太大时,已经看不到有组织的对流卷。研究结果表明对流卷的维持需要一定的地表热通量。     

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。     

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。     

沙尘重粒子在对流边界层中的扩散模拟

用拉格朗日随机模式(Lagrangian Stochastic Model)结合大涡模拟所得对流边界层三维湍流场的时间序列,研究沙尘类重粒子在大气中的扩散特性。对地转驱动风速为0、2、4 m·s^-1的对流边界层情况和重粒子落速为0.2、0.4、0.6 m·s^-1的情况（对应沙尘粒子直径约53、80和104μm）分别进行模拟,并与被动粒子扩散的情况进行比较。模拟的被动扩散情况与水槽实验及前人的数值研究结果相符甚好。对重粒子扩散的模拟结果显示了2方面的内容。一方面,较小的颗粒（53μm）在边界层中的扩散特征与被动扩散接近,较大的颗粒（104μm）则不易扩散到边界层上层,这与经验直观的情况相符。另一方面,若保持其他条件相同,较强的平均风有利于较重的粒子在边界层中的沉降,这一结果有待观测验证。     

非均匀网格上三维对流扩散方程高精度紧致差分方法

利用降维法推导出非均匀网格上三维对流扩散方程的高精度紧致差分格式,对于离散得到的代数方程组采用BiCGStab（2）迭代法求解．数值算例表明,在网格节点数相同的情况下,基于非均匀网格的计算格式较均匀网格格式具有高精度、高分辨率的优点,对于合边界层的对流扩散问题有很好的适应性．     

叶顶间隙非均匀对大型轴流风机性能的影响

为了探索叶顶间隙沿周向非均匀变化对大型低压轴流风机性能的影响,以某民用大型低压轴流风机为研究对象开展研究,选择表征轴流风机周向非均匀间隙的两个关键参数——平均间隙水平、非均匀度为影响因素,通过定常、非定常的数值模拟,研究周向非均匀的叶顶间隙对风机外特性的影响,以及对叶顶间隙流动和流场变化的影响机理。结果表明：轴流风机平均间隙、非均匀度的增加均会造成风机效率和静压的下降,但平均间隙的改变对静压的影响明显大于非均匀度变化所产生的影响;叶顶间隙不均匀,会改变叶顶泄漏的起始位置和发展方向,在间隙较大处,叶顶泄漏不但有带涡核的主泄漏,还包括无涡核的附加泄漏,同时叶顶的泄漏流量会因受到前向叶片泄漏涡的卷吸而周期性地改变。该研究成果对低压轴流风机设计及高效运行具有一定的参考价值。     

脉动流对壁面边界层流动的数值研究

为了研究非稳态尾迹对平板表面流动和换热的影响,本文将非稳态尾迹引起的主流速度脉动简化为正弦变化,通过数值的方法研究了脉动频率和振幅对平板壁面边界层流动和换热的影响,研究结果表明:边界层内的速度、壁面温度、壁面摩擦系数和平均换热系数随着时间的变化做周期性脉动;边界层内流动与主流之间存在着相位差,壁面距离越小,相位差越大;边界层内的速度和壁面摩擦系数脉动幅度的大小与主流脉动频率和振幅成正比;壁面温度和壁面平均换热系数的波动大小与主流脉动频率成反比,与脉动振幅成正比,当主流脉动频率和脉动振幅增加到一定值后,靠近壁面的地方出现回流,回流强度与脉动频率和振幅成正比。     

对流边界层顶部夹卷速度参数化的分析研究

应用 1979年 7月美国CIRCE试验边界层观测资料对两个夹卷速度参数化方案进行了对比验证 ,结果表明 :基于简单夹卷层结构模型的参数化方案we/w =A·Ri- 1 只适用于自由对流边界层 ,当对流边界层中存在较强机械湍流时 ,该方案变得不再适用 ;而基于“侵吞模型”的参数化方案we/w =B·θ /(Γzi)则不仅适用于自由对流边界层 ,对于含有较强机械湍流的对流边界层也能较好地符合 ,因而具有较强的适用性 .当对流边界层受机械湍流和浮力湍流共同驱动时 ,仅以浮力对流速度w 表征混合层垂直湍流速度尺度是不恰当的 ,还应该包含机械湍流的贡献 .对比验证表明 ,这一改进非常有效 ,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     

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。     

可压缩平板边界层的二次亚谐不稳定性

用二次稳定性理论研究可压缩平板边界层中三维扰动的产生及其非线性演化过程，揭示可压缩边界层转捩的内在机制．结果表明，可压缩边界层在较宽的波数带内存在亚谐不稳定性，其特性与不可压缩边界层相似；二次亚谐波在很宽频率和雷诺数范围内不稳定，其增长率和幅值放大因子都远大于初始波，二次亚谐共振是可压缩边界层转捩的内在机制．     

等离子体影响平板附面层流动的机理研究

基于Orlov和Corke提出的电场力模型,将等离子体作用力耦合到流动控制方程中,理论分析了等离子体对附面层流动的作用机理和效果,并通过对平板附面层流动的数值模拟验证了理论分析结果。研究表明,等离子体增加了其作用区内壁面附近的压力,绝缘壁面上的压力最大,沿壁面外法线压力梯度为负值;同时等离子体增大附面层内的速度,并诱导出沿壁面内法线方向的流动以及沿流向的顺压力梯度,这将有利于附面层流动分离的控制。随着来流速度的增加,等离子体的作用效果有所减弱,通过提高电极电压来提高电场强度,可以有效的提高其作用效果。     

混合层顶覆盖逆温层变化规律研究

论文利用无线电探空仪获取了合肥市西郊一百多份温度和湿度探空资料，统计分析得到该地区大气边界层覆盖逆温的特点：覆盖逆温层底平均高度为1220m、覆盖逆温层的平均厚度为200m、覆盖逆温层的温度跃变平均值为0．7℃等。覆盖逆温层底的高度具有季节变化趋势，与太阳直接辐射的时间积分有较好的相关。根据边界层高度和感热通量的关系，可知感热通量约占地面接收到的太阳直接辐射的30％。