湍流相干结构对边界层中标量扩散的影响

在大气边界层风洞和玻璃水槽中进行湍流边界层流动中的标量扩散模拟试验和机理研究．通过流动显示、湍流测量和频谱分析，已表明湍流边界层中的间歇现象在标量扩散过程中起着重要作用．烟雾在大气中的扩散、悬浮污染物质在河流中的扩散都属于湍流边界层中的标量扩散问题．在近源区，标量扩散主要受到各向异性湍流相干结构的影响，结果往往在近源区会出现局部的较高浓度的污染物质．采用流动显示和频谱分析相结合的研究方法，得到了在某些流动条件下的湍流相干结构时间和空间尺度近似值     

环境风洞的模拟技术研究

在环境风洞中模拟大气边界层是大气污染对流扩散试验研究的前提．根据环境风洞污染扩散试验的特点，通过试验调整大气边界层模拟装置，实现了在环境风洞中模拟部分大气边界层，并通过湍流结构确定了模拟比尺，当大气边界层得到正确模拟时，在环境风洞中模拟污染扩散和在大气边界层中的实际情形相似。     

沟槽壁湍流减阻机理的氢气泡流动显示及数字图像分析

应用氢气泡流动显示和数字图像处理技术,对微型沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理进行了实验研究.对开口循环水槽中沟槽壁面及光滑平板壁面湍流边界层近壁区高低速条带流动结构及其猝发现象进行了氢气泡流动显示,应用"帧间比较"定量分析方法,获得了水平平面内流向脉动速度、展向脉动速度的平面分布,并对沟槽壁面和平板壁面近壁面区域湍流相干结构的氢气泡流动显示图像进行了比较分析,根据流向脉动速度、展向脉动速度的平面分布分析了沟槽壁面及光滑平板壁面湍流边界层近壁区高低速条带结构的展向尺度特征,从壁湍流相干结构控制的角度研究了沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理.     

小型热浮力烟流的铅直扩散特征

本文用立体摄影方法研究了小型热浮力烟流的铅直扩散特征,结果表明:热浮力烟流的铅直扩散能力受自生湍流的影响较大:自生湍流的作用随距离的增加而减小;在近源处,自生湍流的作用随大气稳定程度的增加而增大.因此进行近源处污染浓度预测时,必须考虑热浮力烟流自生湍流的作用.     

RPPM模式在核事故气载放射性污染物扩散数值模拟中的应用

阐述了随机游走粒子-烟团模式(RPPM)的基本原理,模拟核事故早期污染物烟羽在不同边界层大气条件和不同源项条件下弥散分布,并分析放射性污染物对近地面层环境可能造成的影响.结果表明,污染物在稳定性边界层大气条件下具有更强的污染能力;不稳定性大气条件下高架源释放形成的污染面积最大;RPPM模式能够较好的模拟核事故气载放射性污染扩散演化情况.     

大气光学湍流、模式与测量技术

折射率结构常数是研究光波在大气中传播的一个重要物理量.本文介绍了大气光学湍流的描述方法,近地面层、边界层和自由大气层光学湍流模式,大气光学湍流廓线的测量方法,以及国内外在该领域研究的重要成果.     

三角翼的可压缩外部绕流流场数值模拟

据Spalart-Allmaras模型建立了三角翼的可压缩外部绕流流动的数学模型,并考虑了近壁面流动的处理方法。利用Fluent软件模拟某三角翼周围的二维湍流流场,用空气绕流阻力、升力和力矩系数来监测解的收敛性,得到三角翼周围的速度矢量图、壁面切应力图及边界层分离点范围,显示了边界层及尾迹区的复杂流动。结果表明,数值模拟方法能真实反映边界层及尾迹区的复杂流动,为解决边界层分离问题和机翼设计提供理论依据。     

基于标准k-ε模型的平衡大气边界层研究

平衡态大气边界层的精确模拟是计算风工程研究中的一项重要且容易被忽视的工作。文章基于标准k-ε模型的控制方程,对大气边界层的平衡条件作出适当假设,总结了与剪应力相关的入流边界条件的通用形式。为实现大气边界层的自保持,在湍动能和耗散率输运方程中添加源项使入流边界条件与湍流模型相协调,并对顶部和底部边界条件施加剪应力修正;然后,分别以二维缩尺和足尺模型为例进行了平衡大气边界层的模拟。研究发现,在湍动能和耗散率输运方程中添加源项对改善大气边界层的自保持产生了不可忽略的影响,在顶部和底部施加剪应力能较好地改善顶部和底部大气边界层的自保持效果,通过同时添加源项和施加剪应力能很好地实现大气边界层的自保持。     

TJ-2风洞大气边界层被动模拟方法的研究

在风洞中正确复现大气边界层流动特性 ,是风洞试验结果可信的必要条件 .据此总结了在同济大学ＴＪ - 2风洞中模拟缩尺比为 1/ 50 0的大气边界层Ａ ,Ｂ ,Ｃ ,Ｄ4类流场的试验研究工作 ,全面考虑了风速剖面、湍流度剖面、脉动风功率谱和湍流尺度 4项指标 ,为进一步进行风洞试验工作提供了基础TJ-2风洞大气边界层被动模拟方法的研究@黄鹏 @全涌 @顾明     

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.     

森林覆盖对大气边界层风速的影响

研究地-气相互作用时,地面森林覆盖的影响是个重要因素,研究森林内部及其上方湍流流动对研究地-气间的动量、热量和质量交换有着重要意义。本文利用湍流模式计算了森林对大气边界层内Ekman风速螺旋,特别是近地面风速剖面的影响。     

壁面局部扰动激发湍流边界层近壁区相干结构的一种理论模式探讨

在壁面局部扰动作用下,应用直接数值模拟的方法,研究探讨了湍流边界层近壁区相干结构形成的一种理论模式．数值结果表明,固壁表面某个局部位置存在的某种局部扰动能激发出湍流边界层近壁区的相干结构,其形成机理的许多方面与直接数值模拟和实验结果相符,且演化规律和特性与壁面局部扰动的强度、结构分布及加入到近壁区域内的局部扰动的能量多少等因素密切相关,这些关键性参数在湍流边界层近壁区相干结构成因的过程中起着重要的作用．因此,壁面局部扰动不仅给出了激发湍流边界层近壁区相干结构形成机制的一种理论方法,而且也完善了湍流边界层相干结构产生的物理模型．     

不同入射激波条件下激波与湍流边界层干扰的实验研究

本文在Ma=3.4超声速低噪声风洞中开展了不同入射激波条件下激波与来流壁面湍流边界层干扰的相关实验研究,得到了不同入射激波条件下的精细流场结构、壁面压力、壁面温度分布以及他们之间的相互关系.利用基于纳米示踪的平面激光散射技术(NPLS)在单位雷诺数6.30×10~6m~(-1)条件下获得了激波与湍流边界层干扰典型流场精细的瞬态流动结构图像,并对瞬态流动图像进行统计分析,得到的诱导激波振荡位置满足正态分布.同时利用大气数据系统得到了不同入射激波条件下干扰区的壁面压力分布,以及不同入射激波强度下分离区流动结构与壁面压力变化的关系.利用温敏漆(TSP)技术,得到不同入射激波条件下干扰区模型壁面温度分布,分析了激波与湍流边界层干扰过程中出现G?rtler涡引起的条带结构与入射激波强度的关系.     

非定常流动和转捩为湍流的数值模拟

欧洲流动、湍流和燃烧研究联合体（ERCOFTAC）于1990年举行了专题讨论会,来自12个国家38个科学和工业组织的90多位研究人员参加了这次会议,本书是该会议的论文集,1992年发行了第一版,本版于2008年出版。专题讨论会分为4个试验案例组：在S形导管中的边界层;水道中周期排列的圆柱;在自由流动湍流影响下边界层中的转捩;轴对称约束喷气的流动。最后一组分为两种情况：在稍微扩散的管道中的喷气和在开放空间中的喷气排放。这些试验案例反映科学界和工业界对于预测试验数据的各种模型和计算程序的兴趣。     

石家庄市秋冬季大气环流型下的气象和PM2.5污染特征

根据石家庄市2013—2018年秋冬季(当年11—12月和次年1—2月)11种大气环流型天气条件下的地面和垂直气象特征, 归纳出5类大气环流条件, 并结合气团传输轨迹和PM_2.5浓度监测数据, 探讨大气环流条件与石家庄PM_2.5污染的关系。在5类大气环流条件中, 第I类(NW型和N型, 天数占16%)的扩散条件最好, 以西风和西北风为主, 风向比较稳定, 风速大, 边界层高度高; 第II类(NE型, 天数占9%)和第III类(E型和SE型, 天数占12%)的扩散条件次好, 近地面风向分别以北风和东北风为主, 风速较大, 前者边界层高度中等, 后者边界层高度低; 第IV类(A型, 天数占37%)的扩散条件较差, 近地面风速较低, 同时边界层高度低; 第V类(UM型、C型、S型、SW型和W型, 天数占26%)的扩散条件最差, 近地面风速很小, 风向变化大, 边界层高度低, 低层大气逆温明显。不同大气环流条件下气团的传输路径存在差异, 对石家庄地区PM_2.5污染产生潜在影响的区域随之不同。石家庄市秋冬季的PM_2.5污染与不同环流型的扩散条件密切关联, 第V类大气环流条件下最易发生PM_2.5污染, 污染发生频率在78%~96%之间, 重度及以上级别污染发生频率均在55%以上; 第IV类大气环流条件下的污染状况变化相对缓慢, 但连续的第IV类大气环流天气多带来PM_2.5污染持续累积; 第I类大气环流条件下发生污染的频率最低。     

TJ—2风洞大气边界层被动模拟方法的研究

在风洞中正确复现大气边界层流动特性,是风洞试验结果可信的必要条件,为此总结了在同济大学ＴＪ－２风洞中模拟缩尺比为１：５００的大气边界层Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ等４类流场 试验研究工作,全面考虑了风速剖面、湍流度剖面、脉动风功率谱和湍流尺度４项指标,为进一步风洞试验工作了基础。     

湍流问题:如何看待“均匀各向同性湍流”?

在湍流的统计理论中,大气中的晴空湍流,风洞中格栅后面核心工作区的流动状态,都可以看作是均匀各向同性湍流,Kolmogorov的研究指出,能谱函数的惯性副区与均匀各向同性湍流相对应,标度律具有普适性,由此得出能量级串的著名的(?5/3)幂率.但是,在实验中观测到间歇性和拟序结构的情况下,应当对能量级串模型及其相应的各标度律进行比较研究,重点是探讨和研究它们的统计方法的物理机制.由于N-S方程中存在非线性项,特别是不封闭问题,使得理论研究和数值实验的结果具有多样性和复杂性,对此还没有任何有效的数学处理方法.本文以大气湍流为中心议题,论述了与此相关的几个主要问题,即:何为湍流难题,湍流理论与边界层理论,湍流难题的本质,大气湍流,湍流的定义问题,特别论述了3类不同的标度律,并展望了湍流研究的前景.     

华北北部半干旱地区夏季大气边界层特征的实验研究

2016年7月3—16日在内蒙古自治区科尔沁地区大气科学与大气环境综合实验站开展科尔沁半干旱下垫面大气边界层野外综合观测试验, 利用 GPS大气边界层精细探空资料, 分析华北北部半干旱地区晴天、阴天和雨天等不同天气条件下的大气边界层结构。采取不同的方法和判据对比确定大气边界层高度, 统计实验期间低空急流特征, 并对近地面湍流特征及地表能量收支状况进行初步的探讨。结果表明: 晴天, 白天的大气边界层平均高度约为1790 m, 夜间约为250 m; 阴天和雨天, 白天的大气边界层平均高度约为980 m, 夜间约为430 m。夜间, 近地面层湍流动能与边界层高度有较强的相关性。低空急流多发生在午夜, 平均高度约为390 m, 强度与高度正相关。     

大气边界层湍流积分尺度的分析方法

分析了大气边界层风洞中模拟湍流和实测大气湍流的积分尺度，通过风洞中的模拟湍积分尺度分析，检验了Taylor假设的合理性，并比较了五种常用方法的计算结果，确定出合适的分析方法；利用自相关函数直接积分和自拟合模型（AR模型）的方法分析了实际大气湍流的积分尺度，结果证明自相关函数直接积分的方法最为简便合理。     

西南山区大气污染扩散的定点观测与模式评估

针对山区局地污染源的大气扩散，通过定点气象观测与数值模拟相结合的污染评估技术，采用区域模式与局地模式相嵌套的高分辨率区域空气质量模拟系统RegAQMS,模拟了一个西南山区磷化工工业园所在区域三维气象要素场、大气边界层湍流场以及污染物散布的浓度场，分析了山地复杂条件下大气污染物的扩散特性和影响其散布的关键因子。结果表明：区域主要的污染物如SO₂小时和日均浓度均未超过国家相关标准且有较大盈余，但在源区附近山体表现出较高的长期平均浓度，模拟时段总平均浓度占比标准份额高达87.7%。区域偏东和东南风极高的出现频率61.8%、较低的风速(如≤2 m/s风速频率43.1%)、离源近距离处敏感的下风向有相当高度山体的阻挡、大气稳定层结(逆温和贴地逆温较高的频率63.4%和27.2%)等是导致长期高值平均浓度的主要原因。与观测浓度的对比表明：RegAQMS能较好地描述该区域污染物的实际分布，模拟与观测的小时浓度相关达0.47,但整体有所高估，误差可能来源于采样时间的不同、排放源的变动、小风条件下平均风向的定义与扩散强度估计的不确定性等。