变弥散系数和对流速度下有机溶质在多孔介质中一维运移的解析解

为研究变弥散系数和对流速度对有机溶质在多孔介质中运移规律的影响,考虑有机溶质的降解作用,设定多孔介质的厚度为有限厚度,建立变弥散系数和对流速度下有机溶质一维运移的数学模型,并利用变量代换和分离变量法获得该数学模型的解析解。将本文所提解析解分别与试验测定结果、已有解析解和有限差分解进行对比分析,对所提解析解的正确性进行验证。基于所提解析解,分析非均质特性系数δ、降解半衰期t1/2和Robin边界常数α对有机溶质一维运移过程的影响。研究结果表明:一方面,非均质特性系数δ的增大会在一定程度上加快有机溶质的一维运移过程;另一方面,δ增大使得运移后期有机溶质的质量浓度减小;有机溶质质量浓度随降解半衰期t1/2增大而增大,当t1/2不超过800 a时,应考虑有机溶质的降解作用;Robin边界常数α主要影响出流边界附近有机溶质质量浓度的变化;在两种不同入流边界条件下,出流边界附近的有机溶质的质量浓度均随α增大而减小。

基于多对流速度的波前重构算法研究

在气动光学研究中,Ronald J.Hugo和Eric J.Jumper的小孔径光束技术(SABT)波前重构算法在理论推导中忽略了与涡结构尺度相关的对流速度的差异,因此必然会给波前重构带来误差。用小波分析提取了上、下游探测光束输出的不同尺度的光程信号,通过计算两个探测光束输出的同一尺度信号的互相关系数,并利用互相关系数达到最大值对应的延迟时间研究了尺度相关的对流速度,然后再进行尺度相关的小孔径光束波前重构。结果表明:相对于单一对流速度的小孔径光束波前重构算法,该尺度相关的波前重构算法能有效地提高波前重构的精度。

极区电离层对流速度的浅层神经网络建模与分析

电离层对流是太阳风与地球磁场相互作用下驱动的磁层大尺度对流循环与对流电场在极区电离层的映射,与行星际磁场-地球磁场耦合系统息息相关.本文基于SuperDARN(Super Dual Aurora Radar Network)分布在北半球的23部高频相干散射雷达获取到的二维电离层对流速度对其进行建模研究.模型输入为行星际磁场三分量、太阳风速度、太阳风密度和地磁指数六个空间物理参数,模型输出为二维对流速度.模型选择两种广泛应用于空间物理建模的浅层神经网络即广义回归神经网络(General Regression Neural Network,GRNN)和误差反向传播(Back Propagation,BP)神经网络.实验结果显示,GRNN模型和BP模型的速度幅值均方根误差分别为174.96 m·s^(-1)和234.21 m·s^(-1),速度方向角均方根误差分别达到62.30°和88.07°,相比于对流速度最大值2000 m·s^(-1)和360°的方向角范围来说,其误差是可以接受的.外推性实验结果显示,在第24个太阳周期时,GRNN模型和BP模型的速度幅值均方根误差分别为305.35 m·s^(-1)和738.15 m·s^(-1),速度方向角均方根误差分别为82.01°和90.56°.实验结果表明,GRNN在时间外推性上的效果优于BP神经网络,更适用于预测对流速度.我们发现在四种典型空间环境条件下,利用GRNN模型预测的瞬时对流速度来构建的全域对流模式与现有统计模型构建的对流模式相似,从而验证预测的对流速度可以用于分析瞬时极区电离层对流.

混合层流场中涡结构对流速度的特性

基于大涡模拟和光线追踪方法,对光线穿越流场后的光程分布与混合层流场中涡结构之间的关系进行了分析,提出了一种基于涡核位置提取的涡结构瞬时对流速度定量计算方法,并使用直接几何测量数据进行了验证.通过对不同尺寸的涡结构、涡-涡配对及融合过程中的涡结构和强压缩性流场中涡结构瞬时对流速度的定量数值计算,揭示了混合层流场中涡结构对流速度的特性:对单个涡结构而言,其瞬时对流速度具有脉动特性,且脉动幅度随涡结构尺寸和流场压缩性而变化;在涡-涡配对及融合过程中,涡对中各个涡结构的瞬时对流速度都表现出类似正弦波动的特点.针对混合层流场中涡结构对流速度的特性,给出了其背后的物理原因.

相场法模拟对流速度对上游枝晶生长的影响

基于Tong和Beckermann等提出的耦合流场的相场模型,采用有限差分法对纯金属凝固过程进行二维模拟计算,研究了不同对流速度对金属枝晶生长的影响.结果表明:在有对流情况下,上游及下游枝晶呈现不对称形貌,上游枝晶生长速度明显比下游方向生长速度快.随着对流速度的增大,上游尖端过冷度也增大,枝晶生长也越快.这是由于流体速度越大,对上游枝晶冲刷越强,上游枝晶尖端实际过冷度越大,枝晶生长越迅速.

微机械热对流加速度传感器可靠性研究

介绍了一种新型的微机械加速度计———热对流加速度计的工作原理及加工制造工艺。由于加速度计由单晶硅腔体、加热器和两只在加热器两侧并与加热器等距的温度传感器构成 ,其本身没有活动部件 ,因此这种加速度计的抗冲击能力几乎达到材料本身的强度。本文通过实验的方法验证了这种加速度计能适应各种恶劣环境 。

北冰洋水体对格陵兰海混合增密对流的可能影响分析

格陵兰海内发生的等密度混合后产生的增密对流是重要的对流现象之一。北冰洋正在发生快速变化,其内水团变性以及环流系统的改变都将使格陵兰海等密度混合对流发生明显变化,继而对全球气候变化产生影响。以往关于等密度混合对流的研究很少,大都集中在对流发生海域。由于等密度混合的主体是大西洋回流水与北冰洋流出水体,本文目的是探讨北极内部不同海域的水体会对混合增密对流造成的可能影响。文中定义了有效对流速度,强调水平温度梯度和垂向层化强度是影响有效对流速度的决定性因素;水平温度差越大,垂向层化越弱,产生的对流越强。发生在东格陵兰极锋处的有效对流都是大西洋的水体,一部分是在格陵兰海回流的大西洋回流水;一部分是在北冰洋潜沉并回流的北极大西洋水,该水体在北冰洋循环的时间越长,温度差越大,产生的有效对流越强。而横越北冰洋的太平洋水因密度过低而不能参与等密度混合对流,加拿大海盆主盐跃层之上的水体也都不能参与对流。北冰洋几个海盆深层水的温度差异明显,有可能与格陵兰海深层水形成有效对流;但是,由于深层水流速低、湍流混合弱、水平温度梯度小,是否可以产生有效对流尚不清楚。

对流尺度数值预报中的云物理初始化方法改进及个例试验

通过在云初始化方案中增加由地表感热和潜热通量确定的对流尺度速度作为对流判据,同时增加层云云冰、云水计算方案,改进云分析方法,并基于第2代华东快速更新循环同化模式预报系统,针对2015年4月28日华东强对流个例,进行对比试验,分析了改进的云初始化方案对云分析结果和模式预报效果的影响。试验表明:在云分析中增加对流判据,使得平均40%左右的云分析格点判定为非对流格点,对流格点分布与正的感热通量分布相似,在陆地上有显著日变化。在对流和层云格点判定之后,增加层云云冰、云水计算方案分析层云格点,显著地减小了模式初始场的云冰、云水混合比,有效地减弱了模式积分初始阶段云冰、云水含量的剧烈调整,尤其是在陆地区域。采用改进的云初始化方案进行预报,可以减少模式前1 h和前6 h的降水强度;尤其在个例的循环试验中,强降水中心强度和面积的预报比原方案显著减弱。

陇中黄土高原地表能量不平衡特征及其影响机制研究

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)2008年夏季的观测资料,分析了陇中黄土高原地表能量不平衡特征及其影响机制,计算了地表和5 cm深处土壤热通量板之间的热储存,并对地表能量不平衡特征重新进行了计算和评价。当把土壤热储存作为地表能量收支的一部分考虑后,不平衡差额绝对值平均降低了23 W.m-2,能量不闭合度平均减小了0.104,利用最小二乘法(OLS)进行线性回归得到的平均不闭合度减小了0.085。从白天和晚上的能量不闭合度频率分布也能够看出,土壤热储存对地表能量收支平衡有很大改善。但即使考虑了土壤热储存项,地表能量不闭合仍然很明显。除了土壤热储存,边界层大气不同形式的输送能力作为对地气能量通量交换过程中的重要因素,对能量不平衡也会产生深远影响。结果显示,地表能量不闭合度分别与垂直速度w、水平风速u和对流速度尺度w*有较密切的关系。涡动相关法通量计算中常通过坐标旋转强迫垂直速度变为零,然而非零的垂直速度和垂直平流是真实存在的,忽略垂直平流热量输送是产生地表能量不平衡的重要原因。

极端干旱荒漠区典型晴天大气热力边界层结构分析

利用极端干旱区敦煌野外观测试验资料,分析了极端干旱荒漠区夏季典型晴天位温、风速、比湿等主要物理要素的垂直结构特征及其地表热力和近地层大气运动特征的日变化规律。发现在极端干旱地区夏季晴天大气热力边界层结构十分独特。在夜间,贴地逆温层最低在900 m以上,最厚可以达到1 750 m,逆温层上面的残余层一般能达到4 000 m左右的高度。在白天,位温超绝热递减层高达1 000 m,超绝热递减层上面的混合层最高达3 700 m,混合层顶上还有大约450 m甚至更厚的夹卷层。当白天对流层发展达到残余层以后,混合层的发展明显加快。风速和比湿垂直廓线特征很好地印证了大气热力边界层独特的结构特征,地表热力和近地层大气运动特征也为这种独特的大气热力边界层结构提供了较好的物理支持。

一维多孔介质中气体渗流与多相气固反应分析

考虑到气体的压缩性,按渗流力学给出了多孔介质中的非均匀流场,并进一步研究多孔介质内的多相气固反应和传输。与不可压缩气体对流、反应、扩散的比较表明,两种流动的孔隙压力分布差别很小,但渗流速度的差别却较大。由于小的速度差会引起Peclet数的大的差别,最终引起气体浓度的较大差别,因而有必要考虑气体的压缩性。入口处的流速与多孔介质内由于气体膨胀产生的附加速度是有实质差别的两种对流,前者使气体浓度上升,后者使其浓度下降。对流对反应气体和产物气体传输的影响不同,但这仅是表面现象的不同,对流的本质不变。对颗粒堆积的多孔介质,颗粒半径和孔隙率越小,以Mach数作为判别气体压缩性是否可以忽略的指标就越不合理。因此对多孔介质中的气体流动,应该用压降作指标判别是否可以忽略气体的压缩性。

矩形高层建筑横向湍流脉动风压谱密度函数的分析计算

目的为计算矩形高层建筑在湍流脉动风压作用下横风向风振动力反应值,推求横向湍流脉动风压谱密度函数.方法从湍流理论的基本方程出发,在一定假设条件下,根据Taylor关于湍流的“冻结”假定,从湍流基本方程的傅氏变换解可以导出脉动风压谱密度函数的计算公式,并考虑了全部的剪切项.结果据此计算出的结果在一定条件下其组合值与原型观测数据相吻合.结论湍流脉动风压谱与日本规范中的扰力谱幅频特性有差别.可以采用CFD(Computational Fluid Dynamics)风场数值模拟结果计算湍流脉动风压谱密度函数与均方根值.

Burgers方程的交替分组显式迭代方法

从对流速度的物理意义出发，构造出求解Ｂｕｒｇｅｒｓ方程的高精度交替分组显式迭代方法，并用线性化方法分析了其稳定性和收敛性，给出模型问题的数值结果。

矩形高层建筑横风向风振动力反应分析计算

从湍流理论的基本方程出发,根据Taylor关于湍流的"冻结"假定,导出了湍流脉动风压谱密度函数的解析计算公式。在分析过程中考虑了压力控制方程源项中全部"紊动-剪切"项的影响。若取用合适的湍流积分尺度,则由此公式得出的横风向脉动风压谱密度函数值与足尺观测数据相吻合。在接近建筑物第一阶自振频率附近谱值函数高于由风洞实验得出的结果。因此根据湍流脉动风压谱密度函数计算得出的结构横风向风振动力反应位移值与加速度值均高于由日本规范公式等计算得出的值。

高层建筑横风向湍流脉动风压动力反应计算

根据湍流脉动压力的产生机理,从湍流理论的基本方程出发,根据Taylor关于湍流的"冻结"假定,导出了湍流脉动风压谱密度函数的解析计算公式。在分析过程中考虑了压力方程源项中全部"紊动—剪切"项的影响。若取用合适的湍流积分尺度,则由此公式得出的横风向脉动风压谱密度函数值与足尺观测数据相吻合,因此对以前的研究成果有一定的改进。由于在接近结构第一阶自振频率时,谱函数值仍处于较高的水平,因此根据湍流脉动风压谱密度函数计算得出的结构横风向风振动力反应位移值与加速度值均高于由日本规范等公式中规定的漩涡脱落扰力引起的反应值,而且推测随结构高度的增加这一影响也有增加的趋势。建议对此问题进行更深入的研究并在高层建筑结构设计时考虑这一差别的影响。

HL-2A装置上粒子输运的研究

用密度调制的方法研究了等离子体中粒子输运问题。采用了注入脉冲式补充送气和超声分子束两种不同的密度调制方法。在HL-2A装置常规欧姆放电的情况下,运用有限差分法和Nagashima矩阵技术,求解了粒子平衡方程。计算出了粒子的输运系数(对流速度v和扩散系数D)。研究了粒子输运系数与等离子体线平均密度之间的关系。实验结果表明,在欧姆放电的情况下,等离子体芯部的粒子对流速度方向始终是向内的,并且密度低时,粒子输运系数(粒子扩散系数D和对流速度v)较大;密度高时,粒子输运系数较小。

居室氡的迁移特征和数值模拟

氡气的污染是室内建筑空气环境中一个比较突出的问题。通过对国内外资料历年研究成果的分析,利用数值差分的方法,建立了室内氡气传输的三维稳态方程,给出了相应的边界条件,对室内氡浓度的迁移特征进行了数值模拟,并对其影响因素进行了讨论。

明满流过渡及跨临界流一维数值模拟

介绍了跨临界流及明满流在国外的研究进展,采用普雷斯曼格式辅以删减对流加速度项法和Preissmann狭缝法建立了一套能够处理缓流、急流、跨临界流和明满流的数学模型。为了验证所建模型的可行性,计算了多个具有解析解或试验结果的算例,结果表明吻合程度良好。

氡的扩散及影响因素

氡可以作为地下信息的指示剂,学者们近年来展开了大量对土壤氡活动的研究。本文介绍了氡的性质、在介质中的迁移规律以及相关模型,建立了有限深度下直立断层上氡迁移的二维稳态模型,分析了扩散系数、对流速度以及断层宽度对氡迁移的影响因素。氡作为地下排气中唯一具有放射性的气体,自下而上迁移通过岩石孔隙或者断层等构造时,在此过程中能作为指示剂携带地质信息对探测地下矿藏以及地下构造等应用有重要作用(刘菁华等,2009)。

一维跨临界流数值模拟研究进展

综述了国外一维跨临界流数值模拟的主要研究进展,概括介绍了跨临界流的两种处理方法———激波捕捉法和激波拟合法,并重点介绍了一种简便、高效、稳定的实用算法(删减对流加速度项法)。