声波扰动近地面边界层湍流脉动特性

声波是具有能量的机械波,在大气湍流传输时会改变其物理特征参数,从而影响湍流的时空结构演化。该文基于声波特性和大气湍流理论,结合湍流脉动流速与大气物理特征参数之间的关系式,通过理论建模和数值模拟,分析了声波扰动下近地面边界层湍流脉动特性及流速变化,进一步探索声压级的空间分布与大气湍流基本特征参数之间的关系,并对近地面区域内的声压级分布及流速变化进行了实验验证。结果表明:在边界层距离声源较近的区域,声场强度越大,对湍流的扰动作用越强,湍流脉动流速变化越快,表明声源会破坏边界层内大气湍流的初始流动状态,影响湍流的时空结构演化,然而改变声源频率,对湍流脉动速度的影响并不是特别的明显。该文主要研究地空链路声波特性与大气湍流结构时空演化物理特性之间的变化规律,数值计算结果可为地空链路光电对抗中大气湍流环境光传输信道特性的改善和干扰提供理论依据。

反应性射流中湍流/非湍流界面附近标量输运特性

湍流/非湍流界面(turbulent/non-turbulent interface,T/NTI)层分隔开湍流区和非湍流区,研究T/NTI有利于加深对湍流区和非湍流区之间传质的理解。通过开展射流和环境流间发生二级非平衡基元反应(A+B→R)流场的数值模拟,研究了该流场中各组分在T/NTI附近的化学反应和标量输运特性。研究结果表明:反应性射流流场中对流项在湍流区域的标量输运中占主导地位。射流的上游处化学反应较为剧烈且随着流向逐渐减弱,在T/NTI层内及其附近均存在显著的化学反应,而下游T/NTI层附近的化学反应主要发生在远离T/NTI层的湍流核心区。在T/NTI层附近,反应物A和生成物R的输运机制呈现类似但相反的趋势。在无旋边界附近,反应物A和生成物R的输运主要由扩散和对流作用共同影响,但其浓度几乎不随时间发生变化。在T/NTI层内,反应物B的输运主要由对流作用影响,T/NTI附近的流动阻碍化学反应后所余较少的反应物B向无旋边界输运。

超声速湍流混合层中小激波结构的实验研究

在对流马赫数为1.24的超声速湍流混合层风洞中,以NPLS实验技术为基础观察到了小激波结构。分析了小激波结构产生时的混合层流场参数,给出了从实验图像中确定对流马赫数的方法,避免了理论分析不必要的假设。探讨了小激波结构产生、发展的一般规律。

层／湍流等离子体射流的稳定性与三维特性的实验观测研究

采用普通照相和短时间曝光成像的ICCD照相技术,观测了低于大气压条件下产生的纯氩和氩-氢直流电弧等离子体射流的高温区的瞬时形貌及其变化,结合电弧弧根在阳极表面贴附行为的观测结果,对射流的稳定性与三维特性和弧根行为之间的关联进行了分析。结果表明,层流等离子体射流的高温区长度明显长于湍流射流情形,并且具有很好的轴对称性和时间稳定性;湍流射流的高温区瞬时形貌则表现出明显的三维特征;等离子体射流的三维特性与弧根在阳极表面的贴附行为没有直接的联系。

用AE-D卫星近地点上观测的n(He)估算湍流层顶高度

本文分析了AE D极轨卫星近地点的变化及其相应的大气膨胀和密度分布情况 .在高度相同情况下 ,中低纬区热层底部的大气密度比高纬区大 ,卫星受阻也就更大 ,从而卫星近地点的高度在中低纬区比高纬区要低、白天比夜间低 .采用近地点上的n(He)观测资料 ,根据大气数密度在低层内均匀混合和高层内扩散分离的不同垂直分布特征 ,粗略地估算出湍流层顶的高度Zt 及其变化 .高纬区内Zt 高低与纬度几乎无关 ,但对磁暴的响应十分明显 .中低纬区内 ,Zt 随纬度减小而增大 ;白天地区Zt 大于夜间 ,而与磁暴的关系不大 .

完全湍流剪切层对圆柱涡激振动特性的影响

为研究完全湍流剪切层(2×10~4~4×10~4<Re<1×10~5~2×10~5)下雷诺数对涡激振动动态响应的影响,在OpenFOAM平台下采用有限体积法求解雷诺平均Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras一方程湍流模型,采用二阶范德波尔方程描述二维圆柱体涡激振动,对完全湍流剪切层下的圆柱绕流涡激振动进行数值计算,分析涡激振动的振幅、频率特性,并在Williamson-Roshko(W-R)图谱中分析旋涡尾迹脱落模式.结果表明:在相同折减速度下提升雷诺数时,圆柱振幅会显著增大,最大振动振幅值高于自由剪切层过渡旋涡区结果及修正Griffin图谱结果.雷诺数对提高圆柱的涡激振动振幅和同步区的范围具有决定性作用,在完全湍流剪切层中,当提升阻尼参数(α≥0.38)时,涡激振动的上部分支消失,振动频率出现"阶跃".

平面湍流混合层流动的统计理论

本文提出了不可压缩粘性流体充分发展的湍流流动的逐级迭代法。此方法能有效地求解脉动速度的高阶关联函数，并修正平均速度和低阶关联函数的精度，应用此方法给出了平面湍流混合层流动的一级近似的二阶、三阶和四阶脉动速度的关联函数，并同实验结果进行了比较，两者符合得较好。

无剪切湍流混合层中被动标量扩散的实验研究

研究被动标量在无剪切湍流混合层中的扩散。实验在风洞中进行,用大小网格尺度比为2∶1的网格实现无剪切湍流混合层,用烟粒子作为测量用的示踪粒子同时作为被动标量形成浓度场,用PIV测量得到速度场同时用Mie散射测量得到高施密特数的浓度场,由此可以计算得到速度和浓度相关,并用实验数据直接检验大涡模拟中亚格子应力Smagorinsky模式和亚格子质量通量梯度模式。

湍流边界层中马蹄形涡的形成方式

本文使用一种新的流动显示方法——激光片光运动法和几种实验技巧对湍流边界层中的马蹄形涡进行了观测,发现并描述了其形成的四种方式:二次不稳定式、组合式、变形式和突发式。对这四种马蹄形涡的形成及发展进行了研究和比较。实验结果表明,这些马蹄形涡在尺度、运动速度和变形上是有差别的。

近海层大气湍流对舰船激光通信的影响

近海层大气湍流对舰船激光通信有重要的影响。本文基于Kolmogorov和Rytov大气湍流理论,推导适用于描述强、弱湍流条件下信噪比及误码率的理论模型,结合舰船通信的物理条件进行数值仿真,同时分析在相应湍流强度下大气湍流对不同波长激光通信性能指标的影响,并提出提高通信质量的措施。

基于新型往返式探空观测的大气湍流特征分析

利用2018年6月2日至2019年11月14日,安庆、长沙、赣州、南昌、宜昌、武汉6个站点的往返式探空试验数据,使用Thorpe分析方法计算了湍流层厚度、对数湍流耗散率、Thorpe尺度、浮力频率并进行概率、水平、垂直等分布特征的分析。这些探空数据观测精度较高,且垂直分辨率约为6~10 m,延伸至大约30 km的高度,可以在整个对流层和平流层下部估计湍流。本研究基于湍流特征分析,比较了各个站点之间以及上升段与下降段之间的差异。对数湍流耗散率log_(10)ε(代表ε的量级)分布具有两个模态,分别以-35 m^(2)s^(-3)和-5 m^(2)s^(-3)附近为峰值中心并向两侧递减。对流层的分布相对于平流层更加集中,且对流层的峰值中心的数值略大于平流层中心,这说明平流层的湍流强度稍弱于对流层。从对数湍流耗散率log_(10)ε、Thorpe尺度(L_T)、浮力频率(N~2)三个参数的水平和垂直分布可以看出,湍流强度受L_T与N~2的配置影响,并且对流层与平流层的特征相反。本研究揭示了高分辨率的往返式探空组网观测数据用于自由大气湍流特征研究的潜力,以及其相对于传统探空数据的时空加密观测优势。

可压缩平板边界层流动的湍流/非湍流界面层空间分布的统计特性

为揭示可压缩湍流边界层中湍流/非湍流界面层(TNTI)空间分布的演化规律,对马赫数Ma为2.9的空间发展平板湍流边界层流动进行直接数值模拟研究。通过湍流体积分数确定涡量阈值,从而获得TNTI的外边界,并以此为基准统计发现条件平均的涡量和法向速度在TNTI处骤降。根据TNTI的统计结果发现,在湍流段平均界面层,平均TNTI高度和边界层名义厚度保持线性关系。TNTI高度的概率密度函数满足正态分布。在湍流段,界面层高度的均方根(RMS)与平均界面层高度之比呈线性减小的趋势,界面层高度和瞬时摩擦力系数的相关性系数近似为0。随着湍流边界层发展,界面层高度的RMS逐渐趋于常数。

近壁面猝发湍流对颗粒物起尘机理的探讨

应用象限分析对在环境风洞中模拟的平坦近壁面湍流进行了研究,探讨了近壁面湍流的间歇性结构与猝发现象,观察了颗粒物起动的过程,探讨了猝发湍流对颗粒物的作用机理.结果表明,比平均雷诺切应力高1个量级的瞬时雷诺切应力,时间分担率小于20%,而对平均雷诺切应力的贡献率却达到50%.近壁面层湍流猝发行为中抛射和外交换对颗粒物的飞起有支配作用,导致的瞬时雷诺切应力足以使颗粒物脱离地表进入空中.以10倍平均雷诺应力来估计抛射行为导致的瞬时雷诺切应力,考察瞬时雷诺切应力对颗粒物起动的作用,得到了与经验公式一致的起尘临界摩擦速度公式.在颗粒物起动研究中,对于可表征湍流在空间和时间上间歇性猝发特点的瞬时雷诺切应力,应引起足够的重视.

台风影响电离层F_2区的一种可能机制

在台风期间,特别是台风登陆前后,强烈的海气、陆气相互作用会增强低层大气中的湍流活动,并可能导致大气湍流层顶的抬升,这种抬升会改变高层大气结构,从而影响高层大气中的光化学过程,最终造成对电离层的影响,在台风活动抬升了湍流层顶的前提下,利用一个一维电离层物理模型,模拟了日本中纬地区 (45°N,142°E)电离层F2区的响应．模拟结果很好地定性解释了如下观测事实,台风期间,电离层foF2会下降,对给定频率电波的反射面会抬升;同时还表明以上过程会导致hmF2上升,这表明台风期间湍流层顶的抬升可能是台风影响电离层F2区的一种十分有效的机制。

关于中层大气动力学的研究进展

中层大气(Middle Atmosphere)是近十多年来广泛使用的一个新名词。它是指从对流层顶到湍流层顶约100km之间的大气层。它由平流层、中间层(Mesosphere)与热层下层所组成,占据着大气总量约20％左右。中层大气与对流层大气不同,它没有水蒸汽的凝结,不与海洋及地表直接进行交换,不直接受到地形的作用,因此,就会产生中层大气固有的大气环流。但是,由于中层大气位于对流层之上,这样在对流层产生的波动有些会传播到中间层,如在对流层由于大尺度地形和海陆纬向分布的不均匀性所产生的行星波可以传播到平流层与中间层;并且,由于波在传播中,它的能量密度是守恒的,

湍流研究最近半世纪的一些发展

一、绪言 (Ⅰ)研究湍流的意义 (Ⅱ)国外开展湍流研究的情况 二、湍流理论的进展 (Ⅰ)先把流体动力学方程组平均的理论 (a)1950年以前发展情况简述 (1)Reynolds方程和混合长度理论 (2)各向同性湍流的统计理论 (3)具有剪应力的普通湍流理论 (b)

印度中层大气研究的四十年

本文对从S. K. Mitra教授时代直至印度中层大气计划完成期间印度有关中层大气现象的研究成果进行了回顾。重点介绍了根据IGY、MONEx及IMAP等专门计划时期收集的大量资料而得出的重要发现。

超声速湍流混合层实验图像的分形度量

以高时空分辨率的纳米平面激光散射(NPLS)实验技术为基础,在SML-1风洞中完成了超声速混合层的流动显示实验.相应的实验图像清晰地再现了层流、转捩及湍流区的流场结构,空间分辨率满足分形度量的要求.给出并比较了测量分形维数的两种常用方法,采用计盒维数法测量了超声速混合层转捩区和完全发展湍流区的分形维数.转捩区的分形维数随着湍流脉动的增强而增加.完全发展湍流区的分形维数并不会因为流场结构不同而有较大的变化,表面上杂乱无章的湍流界面具有基本相同的分形维数,体现了湍流流动的自相似性.

NUMERICAL SIMULATION AND ANALYSIS OF HORSESHOE-SHAPED VORTEX IN NEAR-WALL REGION OF TURBULENT BOUNDARY LAYER

The low-Reynolds-number full developed turbulent flow in channels is simulated using large eddy simulation（LES）method with the preconditioned algorithm and the dynamic subgrid-scale model,with a given disturbance in inlet boundary,after a short development section.The inlet Reynolds number based on momentum thickness is 670.The computed results show good agreement with direct numerical simulation（DNS）,which include root mean square fluctuated velocity distribution and average velocity distribution.It is also found that the staggered phenomenon of the coherent structures is caused by sub-harmonic.The results clearly show the formation and evolution of horseshoe vortex in the turbulent boundary layer,including horseshoe vortex structure with a pair of streamwise vortexes and one-side leg of horseshoe vortex.Based on the results,the development of the horseshoe-shaped coherent structures is analyzed in turbulent boundary layer.