均匀各向同性大气湍流对声爆传播特性的影响

基于离散Fourier模态有限和生成的随机大气湍流场,采用修正波形参数方法,开展了均匀各向同性大气湍流对典型超声速客机声爆传播特性的影响分析。计算采用的超声速客机模型为自行生成的简化超声速公务机模型。首先,应用航空工业空气动力研究院自主研制的CFD软件ARI_Overset在三维空间求解Navier-Stokes方程,得到作为声爆远场传播初始值的近场空间压力分布;其次,基于Von Karman能量谱,采用离散Fourier模态有限和形式生成随机均匀各向同性大气湍流场;最后,采用修正波形参数方法模拟了声爆信号在随机速度湍流场中的传播过程。数值结果表明:各向同性大气湍流对于地面声爆特征有重要影响。与无湍流状态相比,均匀各向同性大气湍流使得地面声爆特征增强的概率约为55%,使得地面声爆特征减弱的概率约为45%,故总体而言大气湍流效应更倾向于增强地面声爆特征;均匀各向同性大气湍流对于声爆传播路径影响相对较小,但是这一变化仍会导致地面信号接收点的不确定性。

各向同性均匀湍流近壁结构及泥沙起动

采用振动格栅产生的各向同性均匀湍流研究了泥沙的起动。应用PTV技术和局部光学放大技术对湍流场进行了测量,发现近壁面湍流动能的指数分布规律。分析了泥沙在均匀同性湍流中的起动机制,并用概率统计理论对泥沙的起动进行了定量的描述。通过测定泥沙起动事件的概率,得到了同种泥沙在不同流动参数下起动的临界湍流动能。

均匀各向同性湍流的频率波数能量谱

对均匀各向同性湍流的频率波数能量谱进行了初步研究,得出均匀各向同性湍流中能量随时间、空间尺度分布的解析表达式,并运用直接数值模拟的方法对理论预测进行验证.数值结果很好地支持了理论预测:横扫速度是决定频率波数能量谱的特征量.

三维均匀各向同性两相湍流的直接模拟

本文对三维气粒两相均匀各向同性湍流进行了直接数值模拟。气相控制方程组采用分布投影方法进行求解,微分方程采用六紧致阶差分格式和快速Fourier变换结合求解;计算颗粒场时,采用Lagrangian方法。由该方法得到的能谱和各统计量与由谱方法得到的对应值进行了比较,吻合十分理想,对不同Stocks数颗粒在流场内的瞬态分布也进行了初步模拟,并观察到局部富集现象,证明该方法是进行两相湍流直接数值模拟行之有效的方法。

均匀各向同性湍流中标量耗散的动力学特性

采用直接数值模拟方法,对具有平均标量梯度的被动标量场在稳定均匀各向同性湍流中耗散的动力学特性进行了研究(计算Reλ为25和48,Pr数从0.3-4.0).结果表明,标量耗散的形成主要是由于标量梯度同流场的应变张量压缩主轴耦合的结果,而涡量对标量梯度的形成只有较弱的影响,然而它可以产生与平均标量梯度方向相反的标量梯度,来抵消在大尺度上施加的平均标量梯度的影响,同时通过破坏标量梯度与应变张量之间的耦合来抑制大强度标量耗散的产生,借助于不变量理论发现,高强度的标量耗散主要产生在拓扑结构为、unstablenode/saddle/saddle流形区域,其对应的应变张量的特征值两个为正,一个为负;由于涡管的感生作用,也有少许中等强度的标量耗散位于流形为stablefocus/stretching的区域,

一种改进的均匀各向同性湍流初始化方法

均匀各向同性湍流是一种最简单的湍流理想状态,也是湍流基础理论研究的最重要对象之一.为了用数值方法产生均匀各向同性湍流场,一般采用Rogallo提出的方法在谱空间生成初始场,然后再转换到物理空间.研究表明,由该方法生成的初始湍流场在3个棱向上呈各向异性,在结构函数和速度概率密度分布上均有体现.尽管在初始场样本很多时,这种各向异性可以在平均意义上消除,但作为数值模拟采用的单个流场则波动较大,不利于在实际计算中作为单个初始场生成各向同性湍流.在此基础上提出一种改进的Rogallo初始化方法,称为模量平均法,将Rogallo方法在3个轴向分别进行,并进行模量平均,最后采用能谱进行模量控制.这种方法可以一方面保持初始场能谱,另一方面减小单个流场的各向异性波动,以产生各向同性程度更佳的单个初始场.在统计意义上,新方法可以分别将结构函数和速度概率密度的相对标准差减小约10%.

非均匀采样的功率谱反演大气湍流相位屏的快速模拟

对大气湍流功率谱非均匀采样可以有效改善传统功率谱反演法低频采样严重不足的缺陷,实现高精度的大气湍流相位屏的模拟.但采用的直接求和运算计算复杂度高,相位屏的模拟速度极慢.将非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)引入到大气湍流相位屏的模拟,可以实现相位屏的快速模拟.从随机过程的谱分解出发,将大气湍流相位随机过程表示为有限谐波分量叠加和的均方极限.通过一个高斯核函数的卷积,将非均匀分布的谐波复振幅映射到均匀网格空间,进而利用快速傅里叶变换,降低计算复杂度,加快大气湍流相位屏的模拟速度.以大气湍流的Kolmogorov谱为例,利用NUFFT仿真得到大气湍流相位屏,并对相位屏的模拟精度、模拟速度和误差进行统计分析.结果表明,NUFFT的引入可以实现快速、高精度的大气湍流相位屏的模拟.

非均匀网格的过渡湍流理论及其在大气边界层数值模拟中的应用

本文将Ｓｔｕｌｌ提出的均匀网格下的过渡湍流理论推广到非均匀网格情形，推广的非均匀网格的过渡湍流理论满足Ｓｔｕｌｌ提出的对过渡矩阵系数的要求并具有清晰的物理意义。然后，将非均匀网格的过渡湍流理论应用于一维大气边界层数值模式中，对Ｗａｎｇａｒａ资料进行了模拟，并与均匀网格情形进行了对比．计算表明，非均匀网格的过渡湍流模式能很好地模拟Ｗａｎｇａｒａ大气边界层平均量与湍流量的变化；本文非均匀网格的过渡湍流理论的推广。是可行的，它可能会在大气边界层数值模拟及其他方面（如：中尺度模式）得到应用。

部分相干空心光束在非均匀大气湍流中的传输

基于惠更斯-菲涅尔原理和维格纳分布函数的二阶矩定义,推导部分相干空心光束(PCHGB)在非均匀大气湍流中传输的束宽和远场发散角的解析表达式,并对其在非均匀大气湍流中的传输特性进行定量分析和讨论。研究结果表明;PCHGB在非均匀大气湍流的传输过程中,其束宽受大气湍流的影响取决于光束的束腰、阶数、波长、相干度以及湍流内尺度和天顶角;非均匀大气湍流对PCHGB远场发散角的影响与光束的天顶角、湍流内尺度、相干度以及波长密切相关;在非均匀大气湍流的传输中,当天顶角为π/3时,PCHGB远场发散角的饱和传输距离为0.3 km。

湍流热环境中毫米级木质生物质颗粒燃烧特性

燃煤机组耦合生物质甚至全燃生物质是高效低成本降碳的可行技术。生物质燃料破碎能耗高导致入炉粒径相对较大,部分大粒径颗粒在炉内高温湍流环境中的燃尽问题值得重视。采用四风扇对冲高温湍流实验装置,构造近均匀各向同性湍流流场。以两种粒径的木质生物质颗粒(d_(p,0)=2.5、6.0 mm)为研究对象,通过改变炉温(T_(gas)=500、700、900℃)和湍流脉动速度(u_(rms)=0~1.8 m/s),研究湍流脉动速度urms对毫米级生物质颗粒燃烧特性的影响。试验通过颗粒表面-中心温度测量系统记录了颗粒温度,通过彩色图像测量系统捕捉燃烧全过程,确定不同工况下生物质颗粒的燃烧时间、着火模式、火焰形态及粒径变化。结果表明,生物质颗粒通常倾向于发生均相着火,仅在T_(gas)=500℃时增大u_(rms)使着火模式由均相着火转变为异相着火。u_(rms)增至1.8 m/s,着火前颗粒升温速率提高了近30%,挥发分燃烧阶段颗粒表面温度升高约300℃。u_(rms)增加引起挥发分火焰锋面褶皱变形,均相燃烧强度增加,tvol略微缩短;生物质焦炭的孔隙发展更加迅速,大量氧气扩散进颗粒内发生反应,使焦炭燃尽时间大幅缩短40%以上,焦炭燃烧温度亦随之增加。颗粒湍流雷诺数Re_(p,t)越大,受湍流脉动影响越显著。升高炉温,增大u_(rms)对颗粒温度的影响将减弱,对缩短燃烧时间的影响越强烈。

高斯型非均匀部分相干光的大气湍流传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和交叉谱密度函数,对高斯型非均匀关联的部分相干光束在大气湍流中的传输特性进行了研究.结果表明,部分相干光的相干度的变化和源平面的高斯调制半宽、传输距离等有着密切关系.在传输过程中,初始平面相干度分布存在突变,在传输过程中消失;光束中两点的相干度随着传输距离的增加先增大后减小,并且相干度的分布由非均匀分布变成均匀分布.这种非均匀关联的部分相干光束在激光通信领域具有广阔的应用前景.

部分相干径向偏振扭曲光束在非均匀大气湍流中的传输特性

利用扩展的Huygens-Fresnel原理以及维格纳分布函数(Wigner distribution function,WDF)的二阶矩理论,推导出部分相干径向偏振扭曲光束(partially coherent radially polarized twisted beam,PCRPTB)在非均匀大气湍流中的M^(2)因子、空间扩展和角扩展的解析式。通过相应的数值模拟计算分析了初始相干长度、束腰宽度、波长、天顶角、扭曲因子、湍流内尺度等对光束传输质量的影响。研究表明具有扭曲相位的PCRPTB展现出更强的抗大气湍流的能力,且扭曲因子越大,光束抗大气湍流的能力越强。而且减小初始相干长度,增大束腰宽度,波长也可以有效降低PCRPTB在大气湍流中的相对M^(2)因子,使光束具有更强的抗大气湍流的能力。研究还可以发现,PCRPTB在湍流内尺度与广义指数参数较大的大气湍流中以一个更小的天顶角传输,其相对M^(2)因子更小,表明大气湍流对PCRPTB的影响更小。

具有轨道角动量的涡旋光束在非均匀大气湍流中的传输特性

基于拓展的惠更斯–菲涅尔原理、维格纳分布函数的二阶矩定义,研究涡旋光束(l=1)在非均匀大气湍流中的传输特性,推导出其M^2因子及光束扩展表达式,并进行数值模拟。结果表明,初始空间相干长度、束腰半径、光束波长、天顶角以及湍流内尺度对光束传输有较大影响。在一定范围内,减小相干长度、天顶角、束腰半径,增大波长或湍流内尺度,均能有效提高光束传输质量。相较于电磁–高斯谢尔模型阵列光束、部分相干空心光束,具有轨道角动量的涡旋光束受大气湍流的影响更小,更有利于信息的有效传递。在自由空间光通信(FSO)中,采用电磁高斯涡旋光束,具有更高的稳定性。

从湍流经典理论到大气湍流非平衡态热力学理论

湍流是日常生活中一种普遍的自然现象,也是经典物理学仍未完全解决的难题。湍流更是大气运动的最基本特征。本文系统地回顾了大气湍流经典理论发展简史,进一步详细介绍了大气湍流非平衡态热力学理论。大气湍流非平衡态热力学理论在熵平衡方程中引入动力过程,进而统一推导出大气湍流输送的Fourier定律、Flick定律和Newton定律,证明了Dufour效应、Soret效应、可逆动力过程与热力不可逆湍流输送过程之间的交叉耦合效应,以及湍流强度定理。这些定律和定理中得到了观测的事实验证,同时它们的唯象系数也由观测资料所确定。湍流强度定理揭示,湍流发展的宏观原因是速度和温度的剪切效应,Reynolds湍流和Rayleigh-Bénard湍流共存于大气湍流中。热力过程和动力过程间耦合效应现象的发现突破了传统湍流输送理论,即Fourier定律、Flick定律和Newton定律的观点——一个宏观量的输送通量等价于这个宏观量的梯度湍流输送通量。热力和动力过程间的耦合原理认为,一个宏观量的输送通量包括这个量的梯度湍流输送通量和速度耦合输送通量两部分。因此,能量和物质的垂直输送通量除了相应物理量梯度造成的湍流输送外,还应包括垂直速度耦合效应,即辐散或辐合运动造成的耦合效应。在一个很宽的尺度范围内,地表面的空间特征是非均匀的。下垫面非均匀性造成的对流运动将引起大气的辐散或辐合运动。这可能是导致地表能量收支不平衡的重要原因之一。垂直速度对垂直湍流输送的交叉耦合效应为非均匀下垫面大气边界层理论的发展,并为克服地表能量收支不平衡问题及非均匀下垫面大气边界层参数化遇到的困难提供了可能的线索。

水、陆不均匀条件下大气边界层结构的模拟研究

应用2004年白洋淀野外观测实验资料,对白洋淀地区水、陆不均匀分布条件下的大气边界层开展了数值模拟试验,结果表明:由于下垫面的热力差异,在360多km2的白洋淀地区,地表特征分布的不均匀可以引发弱的局地环流,影响大气边界层内温度和湿度的空间分布;在500 m高度以下,下垫面不均匀分布对湍流动能有明显影响。最后将模拟结果与观测资料进行了对比检验。

边界层湍流输送的若干问题和大气线性热力学

总结了大气线性热力学基本理论,讨论了大气边界层的能量和物质输送交叉耦合效应,还讨论了大气系统动力过程和热力过程的交叉耦合效应。分析指出:由于动力过程和热力过程的交叉耦合效应,导致大气边界层能量和物质输送过程除了湍流输送外,还应包括大气辐散和辐合运动对能量和物质的输送。非均匀下垫面大气边界层和对流边界层辐散和辐合运动对能量和物质输送是重要的。在这个基础上,讨论了非均匀下垫面和对流边界层地表能量的平衡问题,非均匀下垫面和对流边界层陆面过程边界层参数化等问题。这些研究不仅丰富了大气边界层物理理论,而且为克服当前大气边界层物理应用中所遇到的困难提供了理论依据。

水平均匀大气中多束照明光在目标上形成光斑的漂移

给出了用Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ谱描述大气湍流时，在水平均匀大气中多束照明光在目标上形成光斑的漂移角方差的解析表达式。分析结果表明，ｎ束互不相关的光所成光斑漂移角的均方根差与单束光所成光斑漂移角的均方根差相比，减小了ｎ倍。随着这些光相关系数的增加，叠加光斑漂移角的均方根差也增加。当这些光完全相关时，叠加光斑漂移角的均方根差和单束光所成光斑漂移角的均方根差变得没有区别。

湍流交换系数的水平非均匀对Ekman抽吸的影响研究

利用地转动量近似理论 ,讨论了湍流交换系数 (K)存在水平非均匀的条件下 ,边界层顶Ekman抽吸 ,研究表明 :K的水平变化对Ekman抽吸有明显的影响 ,这种影响决定于边界层内的气压场、边界层顶的风场和K的梯度之间的关系 ,在气旋性涡旋中 ,当K由涡旋中心向外增大时 ,它增加边界层顶的Ekman抽吸 ,反之 ,减少Ekman抽吸 .Ekman抽吸增加的幅度与K的梯度值有关 。

大气湍流、光波传播的湍流效应与Aubert’s lester现象

大气湍流是大气中的一种运动形式。光波在大气中的传播过程，除了受到气体分子、云雾降水和气溶胶粒子的散射和吸收以外，还受到大气折射率不均匀的结构（湍流区）的散射。一些需要在较大距离上进行的视光学检查都可能会受到这一因素的影响，

近地面层湍流大气中光传输到达角起伏实验研究

为研究不同气象条件下近地面层湍流大气对光传输到达角起伏的影响,在校园内一块较平坦草地上开展了光传输实验。采用半导体激光器作为光源,传输60 m至接收端,使用焦距为1.300 mm的望远镜接收后由CCD相机采集光点灰度图片。根据灰度图片上光点位置计算传输路径上的大气湍流折射结构常数C_n^2以及垂直、水平两个方向到达角(Angle of arrival,AoA)起伏方差的比值。同时测量了传输路径附近的温度、风速等气象数据,计算稳定度参数Richardson数。结果表明,Richardson数大于临界值0.25时,垂直、水平到达角起伏方差比值均大于1.0;Richardson数小于0.25时,垂直、水平到达角起伏方差比值在1.0左右起伏。由此可以看到,稳定层结条件下,湍流表现为各向异性特征;不稳定层结条件下,湍流表现为各向同性特征。