扰动近地层湍流互谱特征研究

运用国际能量平衡实验(EBEX-2000)的湍流、净辐射和温度梯度资料,对近地层8.7 m和2.7 m两个高度的湍流互谱结构、温度廓线和湍流通量的特征进行了分析,重点研究了逐块灌溉所致的扰动近地层内大涡与局地湍流的相互作用以及大涡对地表通量的影响。研究结果显示,低频湍流互谱的峰值频率在两个高度趋于一致,基本遵循外层标度律(OLS)模型;高频湍流符合局地各向同性湍流理论。由于大涡的影响,湍流互谱低频能量显著增强,且该增强作用在8.7 m高度比2.7 m高度更为突出。湍流谱的低频部分出现多峰值,峰值频率对应的涡旋尺度与热力非均匀性的尺度有较好的对应关系,主要的3个涡旋尺度分别为800,400和200m。大尺度涡旋扰动对局地湍流的影响:上层大于下层,不稳定时大于稳定时。     

平流雾过程湍流微结构与能量输送的分析研究

利用天津255m气象塔大气边界层实验资料, 分析了2006 年2 月一次平流雾过程湍流微结构及能量输送的演变特征, 并结合冷锋过境、晴朗小风及轻雾等天气条件, 讨论了雾过程中湍流动能特征。得到:雾中各向风速能谱密度峰值频率偏于高频段, 雾前和雾后风速能谱峰值频率偏向于低频段; 与速度能谱相比较, 雾形成前期, 温度谱峰值频率的变化大于速度谱; 雾消散期间, 温度谱峰值频率比速度谱峰值频率更偏向于低频; 雾过程中, 平均动能较小, 但湍流扰动活跃, 湍流动量输送以垂直方向为主; 平均动能和湍流动能在雾前 出现异常增强, 这可能是平流雾的启动信号。     

脉动风速随机Fourier波数谱研究

从物理机制出发,建立了具有扎实物理基础的脉动风速随机Fourier谱模型.首先,基于大气湍流物理图景,阐述了湍流中的涡旋尺度和风速能谱不同子区的对应关系.以脉动风速在剪切含能子区和惯性子区所符合的不同幂次规律为基础,建立了随机Fourier谱模型,指出上述两个子区分界波长ιc对应实际物理过程中含能大涡尺度和平衡范围涡旋...     

基于格子Boltzmann方程的大涡模拟对湍流时空关联性的研究

将格子Boltzmann方程和大涡模拟(LBE-LES)相结合,提出适应于格子Boltzmann方法(LBM)的涡黏性亚格子尺度模型,开展均匀各向同性湍流时空关联性的研究.采用D3Q19格式计算湍流的三维能谱、湍动能耗散率和其它高阶统计量,与实验和直接数值模拟结果的比较表明,该模型比传统涡黏模型有明显改进.考察了不同亚格子模型预测湍流频率波数能量谱的能力,结果表明,尺度涡产生的横扫作用是造成小尺度涡时间去关联的主要因素,不同波数的频率能量谱之间有一定的相似性,横扫速度是描述湍流频率波数能量谱的特征量.     

热带气旋边界层的全息希尔伯特谱分析

在一个理想热带气旋(Tropical Cyclone,TC)的大涡模拟试验基础上,利用全息希尔伯特谱分析方法计算了热带气旋边界层(TC Boundary Layer,TCBL)中眼墙(内核区)和外核区不同高度的切向和径向风速、垂直上升运动以及假相当位温的能谱,讨论了TCBL中湍流、小尺度涡旋与热带气旋较大尺度过程之间可能存在的调制关系.结果表明,热带气旋强度变化、涡旋罗斯贝波和涡丝化等较大尺度过程是调制TCBL中小尺度扰动的重要因子.此外,在TC不同位置和不同高度的切向风速能谱都具有较强的一致性,涡旋罗斯贝波的传播对径向风速的影响要大于对切向风速的影响.对于垂直上升运动的能谱,TC强度变化的调制信号相对贡献减小,而低频调制波的作用更加明显.假相当位温能谱存在周期大约为10 h的调制波和周期约为1～4 h的载波信号,这表示涡旋罗斯贝波的径向能量外传可能是导致TC边界层恢复的原因之一.     

对流边界层水平温度场特征的水槽模拟研究

利用对流水槽模拟分析了均匀下垫面自由对流边界层的水平温度场结构特征.根据几何相似、运动相似和动力相似等要求设置初始条件和边界条件实施模拟.对流水槽的尺度为1.5 m×1.5 m×0.6 m,先加入具有一定温度层结的去离子水,然后底部加热形成对流,模拟对流边界层的发生和发展.利用快速响应的温度传感器测量温度廓线和不同高度上的温度起伏;利用准直光闪烁原理获得光学湍流场.根据温度廓线和光学湍流场的结果得到对流边界层厚度和稳定度等参数.根据不同高度的水平脉动温度,利用AR谱方法分析水平温度谱峰值频率所对应的尺度,该尺度对应于对流边界层的准二维对流热泡的水平尺度.统计分析结果表明,自由对流边界层大涡的水平尺度在边界层的下部随高度的增加而增加,约在0.65倍边界层厚度处达到最大,然后随高度的增加又逐渐减小.物理模拟与数值模拟和野外观测结果符合一致.根据对流热泡的这种特征,提出了一个自由对流边界层的热泡模型.     

复杂山地环境下脉动风速谱研究

进行了8种坡度下单个三维山体的模型风洞试验,讨论了山体各位置脉动风速谱的变化规律,以及坡度对脉动风速谱的影响.结果表明:背风面山脚0.8h高度以下位置,脉动风速功率谱与来流风速谱相比,功率谱峰值明显增大,峰值频率向高频移动,单峰特征明显,频带变窄.除此以外的背风面其他位置、迎风面以及山顶位置的脉动风速功率谱与来流风速谱基本一致.提出了山体背风面脉动风速能量由来流湍流能量和山体尾流涡旋能量构成的思想,将来流脉动风速谱与涡旋谱进行分离,并根据试验数据拟合,提出了保守的涡旋谱的计算公式.根据不同坡度山体的试验,得出了0.5为涡旋产生与否的临界坡度.     

亚音速喷流出口扰动对湍流与声场模拟的影响

采用大涡模拟方法计算出口马赫数Ma=0.75、雷诺数ReD=8.7×105的圆口喷射流动,研究了改进的来流多模态线性不稳定扰动和涡环扰动对促成转捩、湍流特性以及远声场结果的影响.研究结果表明,与来流无扰动的情况相比,两种扰动方式均有利于破坏喷口环状涡的周向稳定性,从而加速剪切层转捩,逼近实际喷口的湍流状态;且多模态线性...     

湍流大涡模拟的时空关联方法

本文介绍了湍流大涡模拟的时空关联方法,它用于检验和发展大涡模拟的亚格子尺度模型,其目的是提高大涡模拟方法对于欧拉和拉格朗日时空关联的预测准确度.现在广泛使用的湍流涡黏亚格子模型的理论基础是能量平衡方程,它们能够正确预测湍流的空间能量谱,但不能正确预测湍流的时间能量谱.本文针对大涡模拟的时间尺度问题,从时空耦合的观点出发,综述了作者近年来在时空关联方法方面的研究工作.理论分析和数值模拟结果表明,大涡模拟总是高估湍流的时间尺度,其物理机制是涡黏亚格子模型仅能耗散小尺度能量,但不能反映亚格子涡对大尺度涡的随机反馈作用.小尺度湍流会影响颗粒的聚集程度和相对扩散.建立亚格子湍流的拉格朗日时间尺度模型,为携带颗粒湍流大涡模拟中基于随机微分方程的颗粒相亚格子模型提供封闭参数,并用于颗粒湍流扩散的大涡模拟.     

吹吸扰动对湍流边界层多尺度相干结构的影响

用IFA-300热线风速仪以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率，精细测量了风洞中施加局部周期性吹吸扰动平板湍流边界层近壁区域不同法向和流向位置的瞬时速度的时间序列信号．对平板湍流的扰动是通过平板上沿展向分布的一条窄缝引入的正弦振荡产生的．用子波分析对壁湍流脉动速度信号进行多尺度分解，用子波系数的瞬时强度因子和平坦因子检测壁湍流多尺度相干结构，并提取不同尺度相干结构的条件相位平均波形，研究不同频率的吹吸扰动对平板湍流边界层多尺度相干结构的影响，结果表明，扰动对边界层近壁区域平均速度分布、能量随尺度分布以及多尺度相干结构及其条件相位平均波形，都有显著影响，其中32Hz扰动影响最大．     

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。     

南京夏季城郊湍流特征对比分析

利用2010年南京夏季城市热岛三维观测试验资料,对比分析了南京夏季城市和郊区下垫面的湍流特征。结果表明:①郊区大气层结呈现规律性的日变化特征,而城市大气几乎全天处于不稳定层结状态;②不稳定层结下,城市、郊区三个方向无量纲风速标准差与稳定度参数均呈1/3幂次关系;城市无量纲水平风速标准差小于郊区,而在垂直方向无明显差异,郊区略小于城市;③城、郊下垫面归一化风速谱曲线在高频段随无因次频率满足-2/3幂次律;低频段谱曲线集中在相对狭窄范围内;郊区风速谱曲线要比城市开阔且平缓;城市风速谱有明显拐点,水平风速谱和垂直风速谱拐点对应的无因次频率分别为0.007和0.01;④南京城、郊的垂直风速脉动含能涡区的特征尺度均小于水平风速脉动含能涡区,湍流动能在垂直方向上主要分布于小尺度湍涡。     

海洋大气环境下运动平台上湍流通量和光学湍流测量问题探析

给出了船体上开展湍流通量和光学湍流测量的几种方法,即用惯性耗散法估算湍流通量,用超声风速计测量光学湍流强度,用常规气象参数估算湍流强度.并给出了初步实验结果.     

城市下垫面扩张对局地热力环流影响的模拟

采用WRF模式及其城市冠层参数化方案,选取2010年8月1日至3日晴天天气为模拟背景,两个算例分别为南京1993年土地利用类型及2010年土地利用类型分布。模式的模拟结果表明城市扩张使城区内2 m高度处气温有了一定幅度的增温,夜间24:00最大增温幅度达3 K。同时城市扩张使得城区风速明显减小,产生减速效应。对比两个算例风速的模拟结果,郊区风速均大于城区,风速低对物质的水平输送、扩散带来不利影响。由于城市热岛的影响,城区范围内产生有辐合上升的运动;随着城区面积的扩大,湍流动能强度及其影响范围也在扩大。2010年算例,正午湍流强度最大值与1993年算例相比较,由2.1 m~2·s2增至2.7 m~2·s2。城区内湍流运动较为强烈的区域,在一定程度上促进物质垂直方向上的输送与扩散。城市扩张后物质在城区上方垂直方向上湍流扩散得到加强,而在水平向下的输送受到抑制,更多地被阻隔在城市局地。     

关于湍流多尺度统计理论方法的论证

用黑河化音测站的实测风、温脉动资料对一种湍流多尺度统计理论方法进行了分析验证,并应用此方法通过对相关系数、湍流时间尺度、湍谱和扩散参数等湍流特征量的研究,分析了黑河戈壁地区的湍流微结构和扩散特征.结果表明:多尺度分析方法正适合研究具有多尺度特征的大气湍流现象,可以比传统方法提供更多的有关湍流属性的信息,能够更直观地表现出不同尺度湍涡对扩散作用的大小,是发展湍流统计理论的一种有效工具     

不稳定近地面层湍流的大涡模拟

采用加密网格的大涡模式获取边界层风、温场的高分辨率模拟结果,并据以分析近地面层大气的湍流特性。结果表明,较小的网格尺度使次网格湍流贡献率大为降低,模式计算结果对次网格参数的依赖性减小,边界层整体特征得到更好的反映。同时,模拟出的近地面层通量 廓线关系及湍流速度特征与实际观测结果吻合甚好,表明模式具有反映近地面层平均运动和湍流特性的能力。     

高墩多塔斜拉桥沿桥轴向风特性实测分析

为研究山区地形高墩多塔斜拉桥沿桥轴向风特性变化情况,在桥面沿桥轴向安装两个三维风速仪和两个二维风速仪,利用小波法提取实测非平稳风时变平均风速,对沿桥轴向风样本进行平均风特性和紊流风特性分析.结果表明:沿桥轴向4个测点平均风速、平均风向角变化趋势基本保持一致;沿桥轴向湍流强度、阵风因子、积分尺度等紊流参数变化趋势基本保持一致,顺风向湍流强度均值较规范推荐值偏高;沿桥轴向实测风样本顺风向功率谱密度在低频段较Simiu谱值偏低,在高频段顺风向功率谱密度与Simiu谱吻合较好;竖风向功率谱密度在低频段较Panofsky谱值偏低;在高频段竖风向功率谱密度与Panofsky谱吻合较差.     

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。     

高超声速流动中双尺度湍流模式的应用

论文研究了双尺度湍流模式,并对其在壁面附的近长度尺度进行了修正,选择四个基准流动－超声速和高超声速二维压缩拐角,锥柱裙组合体绕流和斜激波／平板湍流边界层干扰－进行了数据计算,数值计算和实验结果的比较表明修正双尺度湍流模式对流动分离,摩阻和热流的计算具有更好的效果。