Heptad Phase Vortex Array in Extremely Deep Fresnel Diffraction Region Generated by Asymmetrical Metal Subwavelength Holes Film

We report a heptad vortex array structure in the wave fields in an extremely deep Fresnel diffraction region by asymmetrical subwavelength holes in a metal film illuminated with linearly polarized light. A Mach Zehnder interferometer with a microscopic objective is used to record the wave fields at different distance＆ and the phase maps are extracted by Fourier transform of the interference intensities. We study the evolutions of the heptad vortex array with distance from the sample to the object plane. To explain the formations and the evolutions of the vortex array, we calculate the diffracted wave fields with Kirchhoff＇s diffraction theory. The calculations are basically consistent with the experimental results, and the properties of the heptad vortex array structure are reasonably explained.

一次江淮气旋引起的区域大暴雨可预报性分析及模式检验

利用常规观测资料和逐6 h的ERA5空间分辨率为0.25°×0.25°的再分析资料及数值产品,采用天气学分析和物理量诊断等方法,对河南2020年6月一次江淮气旋区域大暴雨的可预报性进行分析.结果表明:(1)强降水主要出现在850 hPa低涡前部西南急流出口区顶部和切变线两侧50~100 km的重叠区域内、地面气旋辐合线附近及左侧冷暖空气交汇处,以冷区降水为主.(2)水汽和动力条件均具有极端性,PWAT、Q850、Qu850、垂直上升运动速度值均超过了河南各类型100 mm以上强降水统计阈值.(3)850 hPa低涡的移动方向和地面3 h负变压中心移动方向对地面气旋的移动有引导作用,负变压中心较气旋中心出现时间早12 h左右.(4)数值模式EC在24~240 h内、CMA-GFS在24~168 h内晴雨准确率和小雨量级TS评分>0.8,暴雨及以下量级的降水TS评分24~72 h内CMA-GFS优于EC,96 h后CMA-GFS低于EC.(5)EC和CMA-GFS强降水落区较实况偏北0.7~0.8个纬度.

涡轮导叶端壁安装间隙泄漏流气动特征数值模拟研究

为研究导叶端壁安装间隙泄漏流的影响,本文围绕某双级涡轮开展了数值研究,分析了导叶端壁有无间隙、间隙大小等因素对涡轮流场和性能的影响。结果表明,端壁安装间隙的泄漏流仅在后半段形成,前半段受通道内较大压力的影响形成主流入侵现象,主流入侵范围占间隙出口面积的44%以上;随间隙宽度的增大,主流入侵现象呈增强趋势,这必然使得端壁侧面面临极大的热负荷;泄漏流流出后卷起泄漏涡,并引起端区气流欠转,导致下游动叶负荷降低,且影响了动叶通道端区旋涡演化,其带来的涡轮级效率差异为0.41%~1.12%,总功率差异为0.38%~0.82%。

含夹层钛/铝爆炸焊接复合材料的界面特征及力学性能

通过爆炸焊接技术制备了含夹层的TC1/AA1060/AA6061复合材料,并对界面形貌和界面元素分布进行了研究。通过电子背散射衍射方法研究界面晶粒分布,并通过数值模拟得到的界面温度来解释晶粒分布。通过力学性能试验得到复合材料的拉伸和剪切力学性能。界面微观组织结构和力学性能的测试结果表明:TC1/AA1060/AA6061复合材料具有较好的焊接质量。两个界面形貌与数值模拟结果一致,数值模拟得到的界面温度可以解释界面和涡旋区域的晶粒分布。元素在TC1/AA1060界面的扩散宽度为12.3μm,未检测到金属间化合物。在两个涡流区只检测到Al和O元素。此外,还在界面附近不同区域进行了纳米压痕试验,TC1/AA1060界面的纳米硬度介于两侧材料之间,而AA1060/AA6061界面的纳米硬度小于两侧材料。

2012—2020年西南低涡气候特征及对重庆暴雨的影响

基于2012—2020年西南低涡年鉴资料,统计分析了西南低涡的时空演变及涡源、移动路径、生命史等气候特征,再结合雨量数据分析了西南低涡对重庆暴雨的影响。结果表明:(1)西南低涡一年四季都有生成,其中3—6月频发,尤其是在6月最多,7月和8月最少;白天和夜间生成几率大致相当,但盆地涡主要在夜间生成,而小金涡以白天生成为主。(2)西南低涡中,九龙涡最多,盆地涡次之,小金涡最少;大部分西南低涡生成后会在源地消亡,其中小金涡更易移出生成地,盆地涡较九龙涡和小金涡的移出率低。(3)西南低涡移动总体上可分为东北、正东、东南和西南共4个方向,以偏东方向移动为主,最远可达我国东北和华东地区。(4)超过80%西南低涡的生命史小于48 h,个别生命史长达120 h以上,最长可达180 h。(5)76%的重庆区域性暴雨与西南低涡有关,主要以盆地涡影响为主,其对长江以北的重庆各区县影响尤为明显。

多连通区域到狭缝圆环域的共形映射计算法

基于模拟电荷法,研究了将具有高连通度的有界区域映射到带有对数螺旋狭缝单位圆环域的共形映射计算法.提出利用BiCR(bi-conjugate residual)算法求解由Dirichlet边界条件建立的约束方程组,得到模拟电荷,进而构造出高精度的近似共形映射函数.数值实验验证了该文算法的有效性,并成功将该共形映射计算法应用到绕流仿真模拟中,模拟了有界高连通度区域内螺旋点涡的绕流.

大型输水隧洞出口扩散段非稳流态研究

【目的】研究水流从有压隧洞到无压明渠扩散段过渡时非稳流态产生机理与改善措施。【方法】本文依据流动相似原理与边界层控制理论,以某大型输水倒虹吸出口过渡段为例,通过水力模型试验分析了扩散段边界层分离及衍生的回流干扰、主流不稳、水流波动特性,研究了不良流态引发的三类附加紊动效应。【结果】①扩散段边界层分离使大量漩涡被主流卷吸,产生附加能耗、衍生波叠加,干扰扩散段平稳过流。②在扩散段增设导流墩抑制了边界层分离,消除合流区涡旋脱落与旁侧回流,消波率达45%~70%,扩散段末端波动强度由1.11 m降为0.20 m;理顺了扩散段流路。【结论】在扩散段设置导流墩的消涡降波作用明显,B型导流墩具有更好的流态改善与能耗降低效果,流速分布沿程调整均衡。

西北涡与西南涡共同作用引发秦巴区域大暴雨的成因分析

利用常规观测资料、ERA-5再分析数据、FY-4A卫星资料,对2021年9月3-4日一次西北涡与西南涡共同作用引发的秦巴区域大暴雨过程进行了研究,探讨了两涡作用导致大暴雨的中尺度环境场特征,并对西南涡的形成过程进行诊断分析。结果表明:秦巴区域的大暴雨是在西北涡与西南涡共同作用下由中尺度对流复合体(Mesoscal Convective Complex,MCC)引起的,强降水位于MCC云顶亮温冷中心及后部偏冷空气一侧的亮温梯度大值区。西南涡生成前,西北涡后部的偏北气流与西南气流形成了中尺度切变线,在秦巴区域触发对流不稳定而激发出中尺度对流云团而产生降水;西南涡生成后与西北涡共同作用,使秦巴区域水汽的输送加强,对流层低层形成强烈辐合,正涡度和垂直上升运动加强,使MCC强烈发展并具有较长生命史,同时伴随β和γ中尺度的对流云团发展,加强了该区域的强降水,从而造成大暴雨。该过程中西南涡是由500 hPa低涡产生的正涡度和高位涡向下传递强迫,使西北涡后部偏北风与西南气流气旋性运动加强从而形成涡旋环流,西南涡与500 hPa低涡的垂直耦合使其发展为强大的涡旋系统,从而加强水汽的辐合上升运动以加强降水。

柔性柱体结构涡激振动研究进展及难点

国内外学者关于亚临界区间单柱体或者多柱体结构涡激振动机理研究已经取得了很多成果,发展较为成熟。工程中大型柱体结构及其系统部分,甚至大部分运行工况都是在超临界、过临界区间,但目前国内外在超临界、过临界区间的柱体结构的涡激振动研究非常少。同时,站在大系统的角度,考虑系统各部件与柱体结构间多体耦合作用下的超临界、过临界涡激振动研究更少。本文以海洋立管、风力机柔塔为例,总结目前柱体涡激振动计算方法主要进展和难点问题,并针对涡激振动研究的发展趋势进行展望和提出解决难点问题的建议。

类比Banados-Teitelboim-Zanelli黑洞的辐射屏蔽

虽然类比引力理论表明可以使用实验室的物理系统类比黑洞的时空结构,但是旋转黑洞的结构很难在实验室体系中找到较好的对应.本文使用特设的涡旋光,在理论上找到了一种接近Banados-Teitelboim-Zanelli(BTZ)黑洞的类比结构,通过计算无质量粒子和声波在类比BTZ黑洞和引力的BTZ黑洞时空中的运动来比较它们的异同.两种黑洞时空无质量粒子和声波的有效势能给出了相同的能量和角动量的辐射禁区分布,不同的是, BTZ黑洞经典禁区沿径向将趋近固定的能量值,而类比BTZ黑洞的经典禁区沿径向将闭合.幸运的是,在视界和能层附近,无质量粒子和声波的运动行为几乎一致,从这个角度来说,类比实验体系能够很好地模拟BTZ黑洞.特别地,在两种黑洞时空下,低能量高角动量的粒子的经典禁区都更宽.

基于STAR-CCM+的汽车后视镜空气动力学分析

为改善汽车后视镜空气动力学性能,建立了3种不同外形特点的后视镜迎风面模型。基于空气动力学原理,以阻力最小化为研究目标,应用CFD方法进行流场分布规律分析。研究结果表明:相较于类平板特征,类半圆柱体与圆锥体向前特征的迎风面外形绕流边界层分离滞后,背风面形成的漩涡区长度缩短,气流通流能力流畅,压差阻力的优化效果较好;通过改变后视镜外形,迎风面表面最大压力降低3.7%,绕流边界层分离点的气流方向与来流方向上的夹角降低15°,后视镜空气阻力降低23.5%。分析结果可为后视镜造型设计提供设计参考和理论支撑。

新疆南疆极端干旱区典型暴雨的水汽特征及触发机制分析

为加强对南疆暴雨过程的水汽特征和触发机理的认识,利用FNL和ERA5再分析资料、地面自动气象站观测资料、 FY-2G静止卫星的黑体亮温(TBB)资料,对2019年6月24-28日南疆极端干旱区暴雨过程进行了分析。结果表明,此次南疆地区持续性强降水天气发生在"两槽两脊"的纬向环流形势下,巴湖低涡、伊朗高压脊和辐合线是导致此次强降水过程的主要天气系统。暴雨的水汽主要来自于大西洋、黑海、里/咸海、阿拉伯海和孟加拉湾沿着西北路径、偏西路径和西南路径到达南疆盆地。低空急流引导着偏西北和偏西路径的水汽输送到南疆盆地,西南路径的水汽则在南疆西部500 hPa气旋性风场、 200 hPa高空西南急流的引导下翻越青藏高原输送到南疆地区。水汽收支计算表明:水汽的输入主要集中在南边界对流层高层和北边界对流层低层和高层;水汽的输出集中在东边界对流层低层和高层。南疆盆地南侧高大陡峭地形(昆仑山脉)的阻挡,使得从北部侵入的主导气流在山前辐合生成的中尺度辐合线,是此次强降水的主要触发系统。辐合线以北的偏西北气流带来的水汽在山前堆积,在地形抬升作用下不断辐合并抬升,不稳定能量释放,对流系统在山前不断生成发展,造成和田等地区持续的强降水天气。

阶梯式涡流场涡运动特性研究

针对收缩管内收缩截面处复杂的流动情况,运用Fluent中的LES湍流模型,模拟了不同雷诺数、不同突缩比下收缩管内的流动状态,分析了不同流动状态下收缩截面下游涡流区的形成过程,通过监测下游的压力变化,探究了涡脱频率的影响因素。结果表明:在层流状态下,涡流区内仅存在一个回流涡结构,流动稳定,不存在涡脱现象;在湍流状态下,涡流区的长度不稳定,涡流区中存在多个涡结构,脱落涡在合并多个主涡后从涡流区脱出;脱落涡的强度及涡脱频率随雷诺数的增大和突缩比的减小而增大。

风流涡旋区域动态压力平衡点运移演变规律研究

平顶山煤业集团四矿属煤与瓦斯突出矿井,复合煤层开采,开采煤层外围遗留老巷较多,上部煤层开采后回风川时常做为下分煤层开采使用。采掘工作面共用回风川后,支路风流交汇处形成风流涡旋区域,风流相互渗透,相互影响,制约工作面供风量。因此,开展涡旋区域风流动态压力平衡点的位置关系研究显得尤其重要。通风技术人员通过现场测试,分析风流涡旋区域动态压力平衡点位置变化规律,合理调节采掘供风量,确保工作面安全生产。

海洋柔性柱体涡激振动抑制装置研究进展

涡激振动是导致海洋柱体结构疲劳损伤的主要原因之一。海洋工程中大型柱体如海洋立管系统、Spar平台等柱体结构大多数运行工况都在超临界、过临界区间,但目前对于超高雷诺数涡激振动抑制装置的研究较少。本文概述涡激振动抑制装置的主要种类、设计方法以及研究进展和难点,并针对涡激振动抑制装置的发展趋势进行展望和提出建议。

大跨度悬索桥竖弯涡振条件下驾驶员行车视线研究

为研究大跨度悬索桥竖弯涡振条件下桥上驾驶员的行车视线,首先,基于传统的风-车-桥耦合振动分析理论,引入桥梁涡激力数值模型,自主编制了涡振条件下风-车-桥耦合振动分析程序;其次,以有3个半波的涡振振型为例,借助几何作图法推导了桥面发生涡振时车内驾驶员视线盲区的计算公式;最后,基于已建立的涡振条件下风-车-桥耦合振动分析程序和驾驶员视线盲区的计算公式,以一座发生竖弯涡激共振的大跨度悬索桥为工程背景,分析了车型、车速和入桥时刻对车内驾驶员视觉盲区最大高度、盲区总持时和盲区占比的影响规律.研究结果表明:驾驶员盲区最大高度呈现周期性变化,其周期约为车辆前进一个涡振半波长度所需要的时间;车速变化不会影响驾驶员盲区的最大高度,但车辆类型不同则驾驶员目高不同,车内驾驶员目高越低,驾驶员前方视觉盲区最大高度也就越高;车重会进一步增加驾驶员前方视觉盲区的最大高度;车辆入桥时刻对驾驶员盲区总持时的影响很小,但驾驶员盲区总持时随着车速的提高而降低;车辆入桥时刻或车速对驾驶员盲区占比的影响小,而车型则对驾驶员盲区占比的影响显著,其中小轿车驾驶员的盲区占比最高(21%左右),大客车驾驶员的盲区占比最小(12%左右).

2021年11月5—9日辽宁地区一次降水天气过程分析及对农业的影响

利用常规气象观测资料、NCEP再分析资料对2021年11月5—9日辽宁地区一次降水天气过程展开分析,并阐述了其对农业的影响。结果表明:此次辽宁地区雨雪天气过程是在地面气旋和东北冷涡的共同作用下产生的。此次天气过程中降水相态变换快,辽宁局部有非常好的水汽条件。850 hPa处有3条输送通道持续朝降水落区输送,为辽宁降雪提供了充沛的水汽条件。同时,850 hPa低空比湿值最大值超过6 g/kg,达到暴雪阈值。地面气温的急剧下降为冻雨的形成带来了有利的条件。此次极端降雪天气给辽宁省设施农业、畜牧业等农业经济造成巨大的危害和损失。

高雷诺数下浮式圆柱体涡激运动试验研究

为研究高雷诺数下浮式风力机的涡激运动响应特性,对直径0.5 m,高1 m的浮式圆柱体进行静水拖曳模型试验。试验测试约化速度在5.6~22.6范围内模型的横荡与纵荡运动响应,其雷诺数范围可达7.5×10^(4)~3×10^(5)。对模型的运动轨迹、涡泄频率以及响应幅值进行研究分析。研究发现:随着约化速度的增大,涡激运动响应幅值先增大后减小;在约化速度为9.4~13.2的范围内模型横荡与纵荡均发生明显锁定现象,在锁定区内涡泄频率接近固有频率0.053 Hz,且纵荡频率是横荡频率的2倍;不同约化速度下纵荡响应幅值均低于横荡响应幅值,横荡运动处于主导地位;在锁定区内模型运动轨迹呈明显的“8”字形。

基于FLUENT的紧密纺大风机系统流场模拟与分析

在紧密纺大风机系统设计中,车头、车尾各锭的负压差异要保持在允许误差范围之内。针对此问题,通过标准k-ε双方程模型对紧密纺大风机系统模型进行分析,应用三维建模软件Gambit与CFD软件Fluent对系统内部流场进行三维仿真模拟,了解内部流场的特性,揭示内部流场的压强分布与变化规律。结果表明:为实现入口气压一致,必须将主风道的气压降保持在较低的范围内,减少支管处能量损耗;利用CFD技术对紧密纺大风机系统内部流场进行模拟计算,得到的流场结果与实际值基本符合,计算结果得到了实测值的验证。

多孔方型人工鱼礁绕流的数值模拟研究

数值模拟得到了5种不同来流速度(0.1～0.8 m/s)下的多孔方型人工鱼礁周围的水流场。过礁体中心的铅垂面上速度分布表明:①不同来流速度下,上升流的最大速度和平均速度均分别为来流速度的0.74倍和0.12倍,上升流最大高度均为礁体高度的2.6～2.7倍,背涡区的长度和高度均分别为礁体高度的4倍和1.25倍;②在靠近礁体背流面形成水流方向与来流方向相一致的透水区。过礁体中心的水平面上速度分布表明:①不同来流速度下,背涡区的长度和宽度均分别为礁体宽度的4倍和1.8倍;②在鱼礁内部形成水流方向杂乱的旋涡区。本研究还初步比较了多孔方型人工鱼礁绕流与无孔方型人工鱼礁绕流的流场效应异同点。