空间相干结构光场产生、传输及应用研究进展

空间相干性是光场除了振幅、相位和偏振以外的一个固有属性,它在理解光的干涉、传输、光与物质相互作用等方面起着重要作用.近年来,对空间相干性的研究已经逐渐拓展至对空间相干结构的构建及特性研究,这是因为具有特定空间相干结构分布的光场展现出了新奇的物理效应,如自聚焦、自分裂、自偏移和自整形传输特性等.这些新奇物理效应的许多潜在应用也逐渐被发现,包括在自由空间光通信中降低大气湍流的负面效应、基于空间相干结构的光学加密和鲁棒光信息传输、光学微粒俘获及操纵等.本综述系统地回顾空间相干结构光场的表征方法、理论构建和实验产生方法、在自由空间和湍流介质中的传输特性和相关应用.首先,利用非负正定条件和相干模式分解理论来表示空间相干结构光场的交叉谱密度函数;然后,讨论理论和实验上构建及产生空间相干结构光场的2种不同策略,一种是基于广义范西特-泽尼克定理,另一种是基于相干模分解理论;接下来,概述特定空间相干结构光束在自由空间和湍流大气中的新颖物理特性;最后,介绍空间相干结构光场在降低大气湍流负面效应、光学加密、复杂介质中的鲁棒光信息传输和光学微粒俘获和操纵等方面的应用.光学空间相干结构不仅为光操控提供了新的自由度,产生的空间相干结构光场在诸多领域也展现出了重要应用价值.

亚临界区圆柱绕流相干结构壁面模化混合RANS/LES模型

本文发展了一种具有壁面模化大涡模拟能力的雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)和大涡模拟(LES)方法的混合模型(简称WM-HRL模型),致力于对亚临界区雷诺数钝体绕流相干结构这类复杂流动现象进行高置信度的CFD解析模拟研究.该方法通过一个仅与当地网格空间分布尺寸有关的湍动能解析度指标参数rk即可实现从RANS到LES的无缝快速转换,并且RANS/LES混合转换区的边界位置及其各个分区(包括RANS区、LES区及RANS/LES混合转换区)对湍动能的解析能力均可通过两个指标参数nrk1-Q和nrk2-Q准则进行预先设定.通过对雷诺数Re=3900下圆柱绕流场的系列数值模拟研究,获得了能够高置信度解析并捕捉其绕流场中三维时空瞬态发展相干结构特性的湍动能解析度指标参数nrk1-Q和nrk2-Q准则的组合条件.研究表明,该WM-HRL模型不仅能够准确获取圆柱绕流场中剪切层小尺度K-H不稳定性结构的精细谱结构,而且在同一套网格系统下通过变化湍动能解析度指标参数nrk2-Q和nrk1-Q准则的组合条件,还可以精细解析圆柱绕流场中两类不同回流区的长度结构特征,及其对应的圆柱尾部近壁面处V和U形两个平均流向速度剖面的分支结构特性.

弧形涡流发生器对湍流相干结构及强化换热的影响

涡流发生器是一种常见的被动强化换热元件,因高性价比而受到广泛应用。本文针对带有弧形涡流发生器的方形管道,采用高时间分辨率粒子图像测速(Time-Resolved Particle Image Velocimetry,TRPIV)技术和大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)方法,研究了涡流发生器诱导的湍流相干结构特征及其对涡流发生器强化换热的影响。实验分析表明,湍流特征量统计图捕捉到了发卡涡涡腿和低速条带的印记。利用涡旋辨识准则提取了发卡涡和反向旋转的准流向涡对(Counter-rotating quasi-streamwise Vortices Pair,CVP),两者在弧形涡流发生器诱导的流场中共存且相互作用,随着涡旋结构演变与发展,其展向尺度不断增大。为研究湍流相干结构与强化换热的关系,通过数值模拟分析了湍流相干结构与温度梯度的空间分布情况,发现两者的分布具有良好的区域一致性,反映了湍流相干结构对强化换热的影响与控制。对比安装弧形涡流发生器前后的壁面平均努塞尔数,发现平均努塞尔数大幅提升,最大提升20%左右,且其沿流向的变化趋势与湍流相干结构的发展演化一致。

黄土高原冬季湍流相干结构在地表能量平衡中的作用

地表能量不平衡问题是近40年一直困扰微气象学界的重要难题.本文利用黄土高原定西干旱气象与生态环境试验站的相关数据,通过将湍流分解为相干结构部分和非相干结构部分,在涡动相关法中引入相干结构(Coherent structure,简称为CS)的贡献,探讨了CS在地表能量平衡中的作用.研究发现:(1)CS出现频次高,间歇性显著,在30 min平均时间中出现的数目为38个,出现时间与未出现时间分别占40%和60%左右;(2)CS对通量影响显著,引入CS贡献后,白天垂直动量通量、感热、潜热和湍流通量(感热与潜热之和)等4个通量计算的准确性均获得显著提高,分别提高达26%(0.01 m^(2)·s^(-2))、24%(25.33 W·m^(-2))、31%(6.23 W·m^(-2))和30%(31.66 W·m^(-2)).而不考虑CS的传统方法对这4个通量低估达19%、22%、21%和23%;(3)CS对4个通量的贡献分别为36%、41%、33%和50%;(4)传统方法得到的地表能量平衡闭合率EBR只有0.76、能量平衡残差Res为41.9 W·m^(-2),远未平衡.考虑CS贡献后,EBR增大至0.96、Res降低至10.4 W·m^(-2),地表能量接近闭合;(5)EBR与Res少量的未闭合部分可以非均匀地表产生的垂直感热平流解释.结果表明,CS大幅提高了地表能量的闭合水平,它是实现地表能量平衡的关键因素之一,是产生地表能量不平衡的最重要原因之一,应该在涡动相关法中考虑CS的贡献.

0814号强台风“黑格比”风场相干结构统计和演化特征研究

为了探究台风风场相干结构统计特性以及在台风不同空间结构部位的演化规律,采用小波系数谱分析(Spavelet Analysis)方法对0814号强台风“黑格比”风速场的湍流相干结构统计特征及演化特性进行了系统分析。研究结果表明:对于0814号强台风“黑格比”过程,顺风向脉动风速与横风向脉动风速的相干结构呈现出多尺度分布特征;顺风向、横风向和竖向风速分量的相干结构主周期均值分别为70.2 s、50.3 s、22.8 s,主尺度均值分别为54.4 s、38.9 s、18.2 s,三个方向相干结构的周期尺度比均值分别为1.28、1.27、1.29;台风“黑格比”风场水平向空间部位中,前外环流区(FOV)的顺风向、横风向和竖向的相干结构主尺度均值分别为68.8 s、41.7 s、14.4 s;前眼壁区(FEW)的三个方向脉动风速的相干结构主尺度均值分别为69.9 s、32.5 s、19.5 s;风眼区三个方向脉动风速的相干结构主尺度分别为83.5 s、50.3 s、15.3 s;后眼壁区(BEW)其值为55.1 s、42.3 s、11.2 s;后外环流区(BOV)三个方向脉动风速相干结构的主尺度分别为53.6 s、39.1 s、10.9 s;整体上表现为前外环流区(FOV)和前眼壁区(FEW)相干结构主尺度大于后眼壁区(BEW)和后外环流区(BOV),风眼区相干结构主尺度则为最大。

副模旋流器叶片角对双旋流燃烧室内相干结构影响的大涡模拟研究

利用大涡模拟方法研究了一种双旋流分区直混燃烧室内的大尺度相干结构以及副模旋流器叶片角度变化(35°,40°,45°)对其的影响规律。结果表明:在主模下游并未观察到明显的相干结构,在副模下游捕捉到4种典型的螺旋涡结构,分别代表了PVC及其3种高次谐波模态。根据与剪切层的“解耦”位置,螺旋涡在空间中被划分为2个区域,分别为“发展区”和“耗散区”。随着副模旋流器叶片角度增大,在频域内,PVC及其高次谐波结构特征频率先减小后增大,谐波模态的能量贡献比例提升,双螺旋结构取代单螺旋结构成为非定常流场中的主导结构;在空间内,PVC总长度基本保持不变,初始半径逐渐增大,扩张角先增大后减小,剪切层与螺旋涡“解耦”的位置逐渐提前。

大气边界层强风的阵性和相干结构

我国北方春季冷锋过境后，常骤发强风，甚至起沙扬尘，持续数小时甚至一二天，通过对边界层超声风温仪的资料分析，可知大风常叠加有周期为3～6min的阵风，较有规律，且有明显的相干结构：阵风风速峰期有下沉运动，谷期有上升运动；阵风扰动以沿平均流的顺风方向分量为主，横向和垂直方向的分量都较小，其本质是低频次声波和重力波的混合；阵风沿顺风向且向下传播。周期小于1min的脉动在水平面上基本是各向同性的不规则的湍涡。大风期间，无论是平均流、阵风和湍流脉动，至少在120m高度以下，主要都有西风和北风动量下传，感热上传。平均流的动量下传强于由脉动下传的量，与一般天气情况不同，而且阵风与湍流的动量下传的量值差不多。平均流和阵风在动量传送上起相当大的作用。

用局部平均速度结构函数检测湍流边界层多尺度相干结构

测量风洞中平板湍流边界层不同法向位置的流向速度时间序列信号,提出了基于局部多尺度平均意义的湍流多尺度局部平均结构函数的概念,以描述湍流多尺度结构的伸缩变形和相对运动;基于多尺度局部平均结构函数的概念与Harr子波变换的一致性,提出了用湍流多尺度局部平均结构函数的平坦因子检测湍流边界层多尺度相干结构及其间歇性的检测方法,提取近壁区域不同法向位置处多尺度相干结构的条件相位平均波形。

提取壁湍流相干结构的数字滤波法

以三丝热线探头测得平板湍流边界层的数据为对象，提出用数字滤波技术将湍流信号分解为接近各向同性的小尺度涡和非各向同性的大尺度涡的方法。并用条件采样技术从大涡信号中提取相干结构。

用小波系数谱方法分析湍流湿度脉动的相干结构

小波系数谱分析方法是结合小波分析和高分辨率谱分析的一种统计方法，可以用来同时识别时间序列中相干结构的生命尺度和出现周期，可以很好地描述相干结构的演变过程。基于此方法，作者分析了2004年11月在河北省白洋淀地区的陆地和岛上两个观测点（分别代表陆地和水面两种不同下垫面）湍流湿度脉动的相干结构特征，结果表明陆地和水上湿度序列的相干结构尺度分布相似，并且尺度与周期之间的关系一致：小于5s的相干结构不连续出现，而且通常伴有更大尺度的相干结构，而5～30s的相干结构有与其尺度差不多的周期。在寻找更大尺度的相干结构时发现存在一个尺度，当大于某个周期时，在各个周期上这个尺度的相干结构都显著；与正交小波变换识别相干结构主尺度的方法识别的相干结构主尺度一致。另外，小尺度结构不连续出现也可以解释小尺度湍流能量变化比较大。

湍流边界层多尺度相干结构的子波自相关辨识

采用热线风速仪测量平板湍流边界层的流向速度信号,运用连续子波变换的自相关分析,研究边界层相 干结构的变化规律,提出了子波尺度与涡时间尺度关系的计算式．结果显示,相干结构在时空中呈多尺度分布,在 对数区集中在较大尺度,在缓冲区扩展到较小尺度,越靠近黏性底层,拟序运动越明显,并向更小尺度发展;广泛存 在的相关性很弱的小尺度涡成为数量巨大、含能很少的背景湍流．子波变换的自相关分析可以定性,也可定量显示 涡的时空特性,是研究湍流多尺度相干结构的有效方法．

基于小波和双谱分析的湍流相干结构辨识

为了从湍流信号中获取更多关于相干结构的定量信息,提出了一种基于小波和双谱分析的辨识相干结构的方法。该方法通过双谱和互相关分析合理地得到了包含相干结构信息的大涡信号,利用小波变换有效地提取出表征湍流多尺度相干结构的信号成份。建立了基于小波分析辨识湍流含能尺度的能量最大准则,以沟槽壁面减阻机理实验的湍流数据分析为例,验证了该方法的合理性和可靠性。

四角燃烧器射流向火侧相干结构涡的研究

利用IFA300恒温式热线风速仪和六线涡量探针及其定位坐标系统,测量了HG-2008/18.2-YM2型切向炉等温模型燃烧器区的涡量场,判别了涡量探针所测炉内空间点涡矢量的大小和方向,采用条件采样技术,研究了4股燃烧器射流向火侧形成的相干结构涡。研究发现:对于单股射流,引射(卷吸)主要发生在射流两侧,从而在两侧造成负压并出现旋转方向相反的旋涡;对于两股相交射流,射流偏转,出现了射流向火侧的剪切涡,以及由于横向射流干涉,在射流背部的尾迹涡。当四角燃烧器同时投运,燃烧器射流偏转且贴壁运行,射流向火侧有大的剪切涡出现,该涡即为相干结构涡;涡量场研究结果,也表明了最大的涡矢量在燃烧器射流的向火侧。相干结构涡的研究目的一为探讨涡中NOx的初生形态;二为研究涡对上炉膛内烟温偏差的影响提供理论依据。

不可压壁湍流中基本相干结构

条带和流向涡作为壁湍流中的两类基本相干结构,对于理解壁湍流的生成演化具有重要意义。本文首先回顾了充分发展不可压壁湍流中,这两类基本相干结构从近壁区到远壁区、从低雷诺数到高雷诺数的发现、发展历程,并着重点论述其自相似和自维持的两个核心特征。然后,进一步讨论基于湍流自维持过程发现的一系列精确相干态,从N-S方程不变解的角度精确地描述了条带和流向涡构成的自维持单元。精确相干态同时具有自维持和自相似特征,且维度更低,构成了充分发展壁湍流的骨架,为采用动力系统理论研究壁湍流奠定了基础。近些年,精确相干态在解释亚临界转捩方面也获得了较大成功,为转捩的研究提供了新的视角,有望从动力系统角度关联湍流与转捩两个经典问题。

圆柱绕流尾迹中相干结构对湍流特性的影响

实验研究了圆柱尾迹中相干结构对湍流平均量的影响.用一个X热线在距离圆柱体y/d=4测量参考信号,用X热线和冷线相结合的三线探头测量从x/d=10～40的圆柱绕流尾迹中的速度和温度脉动,用条件平均的方法研充圆柱绕流近尾迹中的相干结构,并对相干结构对动量和热量的湍流输运过程的影响进行初步分析.结果表明:相干结构对尾迹中速度的横向脉动影响最大;相干结构对湍流参数的影响随x/d的变化明显.该工作还对相干结构引起的湍动能产生率变成负和逆温度梯度输运现象做了定性的解释.

湍流边界层底层相干结构的一个理论模型

本文采用非线性稳定性分析方法,研究了湍流边界层底层相干结干结构的成因.计算得到的增长最快的不稳定波的展向尺度与纵向尺度都与实验相符.这一分析的特点是采用了不同于湍流平均速度剖面的更合理的速度剖面作为稳定性分析的基础,并采用了新的非线性理论.文中结果有助于理解湍流边界层底层相干结构的拟有序现象.

湍流边界层外区扰动激发近壁区相干结构的一种机制

应用直接数值模拟的方法,研究了湍流边界层近壁区由于外区扰动的作用而导致相干结构产生的问题· 结果表明:在湍流边界层近壁区的上边界存在的速度扰动,可以在近壁区内激发出相干结构。

沟槽壁湍流多尺度相干结构实验研究

应用热线测速技术,对沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理进行了实验研究.测量了风洞中并排放置的沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层在不同雷诺数下不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号.运用流向速度分量信号的多尺度子波系数辨识壁湍流多尺度相干结构,用条件采样和相位平均技术提取了壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠时流向速度分量、法向速度分量和雷诺应力分量的相位平均波形.分析了沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层中多尺度相干结构的持续时间、条件相位平均波形等特征.对沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层多尺度相干结构的多种统计平均特征进行了比较,从壁湍流多尺度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.

竖直平板间自然对流大尺度相干结构的POD分析

POD方法是研究湍流相干结构的有效手段。将该方法应用于竖直平板间自然对流的问题,考虑到流场的热耦合性,采取了速度场与温度场相关联的POD分析。研究表明,该流场具有显著的结构性,流场中的主要含能流动形态为大尺度螺旋涡与纵向涡结构。用POD分析方法,得到广义“能量”在各模态间的分布,发现其分布有比较明显的收敛性。通过POD方法重构流场,可以用较少的模态捕捉到该流场的主要信息。

柔性壁面湍流边界层相干结构控制的实验研究

本文利用热膜测速技术对刚性壁面和柔性壁面湍流边界层的流向速度分量进行了实验测量,首先研究了柔性壁面对平均速度分布和湍流度分布的影响,结果表明:柔性壁面的边界层速度分布在对数律层向上有所平移,缓冲层加厚,具有一般的壁面减阻特征;而柔性壁的湍流度比刚性壁的湍流度要低,分布也更为平坦。然后综合运用自相关法和条件采样技术研究了湍流近壁区的相干结构,结果表明:刚性壁自相关曲线的第二峰值出现的时间比柔性壁的短,柔性壁的猝发频率比刚性壁的低许多。实验结果表明柔性壁面具有一定的减阻作用。