黑潮流套脱落反气旋涡对声传播的影响研究

黑潮在冬季常以流套的方式入侵南海,并多伴随着反气旋涡的脱落,脱落的反气旋涡将黑潮高温、高盐水带入南海,影响南海东北部水文要素和声速场的空间分布,目前尚未有对黑潮流套脱落反气旋涡声学效应的研究。利用2009~2020年卫星高度计数据和再分析数据,在南海东北部选取了6个冬季黑潮流套脱落反气旋涡,研究了其水文和声场结构,并应用Bellhop高斯射线模型仿真给出了其对声传播的影响。结果表明:(1)6个黑潮脱落反气旋涡平均半径为110~135km,垂向深度可达1000~1200 m,最大旋转速度为0.4~0.6 m/s。反气旋涡中心暖水下沉,温度异常均为正异常,暖核位置位于100~250 m处,最大正异常达到2.5℃。中心盐度异常呈现负-正-负的三核结构。反气旋涡在100~900 m深度声速为正异常,最大正异常超过8 m/s,出现在400 m左右。(2)声波从涡外穿过涡旋和从涡内向外传播,当地形不会影响声线的反转时,会聚区的位置发生后移,后移的距离在5~10 km;当地形阻碍声线的反转时,声线与地形接触的位置不同,会聚区可能出现前移或后移,后移最大为29km,前移最大可达23km。(3)当声源深度和接收深度都为300m时,涡旋引起的声传播损失相比与无涡环境下最大增加10~15dB,同时地形与海底的反射也会使得声传播损失增大5~10dB。本文研究结果对南海东北部深海通信、远程探测、舰艇侦察与反侦察等具有一定意义。

台风右侧暖涡对台风“鲇鱼”的响应

基于多源观测数据,分析了台风右侧暖涡对2010年南海台风“鲇鱼”的响应,发现了意料之外的暖涡增强和海水下沉现象。台风“鲇鱼”过境期间,暖涡海面高度距平(SLA)最大值从30 cm增加至36 cm、半径从78 km增大至116 km、涡动能从166 m^(2)s^(2)增加至303 m^(2)s^(2)、振幅从3 cm增大至9 cm,台风右侧暖涡边缘的Argo站位处温跃层海水下沉20~40 m。为此,诊断分析了台风风应力旋度对暖涡的单独作用,结果显示暖涡及暖涡边缘的Argo站位处总体受正风应力旋度作用,正风应力旋度将使暖涡减弱、温跃层抬升,与观测到的暖涡增强和海水下沉结果不符。而基于实际海面流场的诊断分析表明,台风“鲇鱼”过境期间台风路径下方的海水辐散,路径右侧暖涡区域海水辐聚,暖涡SLA最大值、涡旋振幅均与辐聚强度呈正相关,Argo站位处海水下沉29 m,都与观测结果相符。个例分析研究表明,位于台风路径外围的中尺度涡对台风的响应不仅受风应力旋度的作用,还受海洋背景环境条件的调制,存在着需要深入研究的过程和机制。

一次华南暖区暴雨及锋面暴雨等熵位涡对比分析

利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)每天间隔6 h、分辨率为0.125°×0.125°的ERA-Interim再分析资料,应用等熵位涡对华南一次双雨带过程进行分析,重点对比在相同的大尺度环境场下暖区暴雨和锋面暴雨的差异。结果显示,暖区暴雨发生时高层辐散起到主要作用,锋面暴雨的发生受高层辐散和低层辐合共同影响;暖区暴雨的辐合辐散强度小及垂直速度明显慢;通过等熵位涡分析,高层高位涡中心和强降水中心对应关系较好,正位涡中心东北部的北风形成风场的辐散区促使抽吸作用加强,最终导致对流发展。锋面暴雨在对流层中层存在等熵位涡的大值中心,中层冷空气下沉引起锋面暴雨的发展维持,而暖区暴雨发生过程中受冷空气影响较小。

南海东北部中尺度涡对海表叶绿素a浓度的影响规律研究

基于南海东北部1998~2019年的多源卫星遥感数据和风场再分析数据,较系统地分析了南海东北部涡旋内部叶绿素a浓度的分布特征,通过量化统计和涡心坐标系参数合成等方法探究了中尺度涡对叶绿素a浓度变化的影响规律及潜在机制。结果表明:(1)南海东北部约有60%的中尺度涡旋内部存在叶绿素a浓度增加和减少的现象。(2)南海东北部中尺度涡内部叶绿素a扰动受到涡旋抽吸和涡致Ekman抽吸机制的共同调控,其中约有38%(39%)的暖(冷)涡内涡旋抽吸的贡献更大, 21%(24%)的暖(冷)涡内涡致Ekman抽吸的贡献更大。(3)南海东北部中尺度涡生命周期内的海表叶绿素a浓度变化存在显著的阶段性差异,在冷暖涡的生成期,涡旋抽吸的作用更为显著,而在冷暖涡的顶峰和消亡期,涡致Ekman抽吸的作用更为明显。上述研究结果有助于理解南海东北部初级生产力对中尺度涡的响应过程与机理,对认识海洋物理-生物耦合过程具有一定的参考价值和研究意义。

流向涡对二元进气道流场与性能的影响

针对超声速情况下流向涡进入进气道并影响其正常工作的问题,在来流马赫数2.7条件下开展数值研究。进气道模型使用二维曲面压缩进气道,涡流发生器使用有限展长机翼。通过改变机翼攻角和法向高度,研究了两种强度流向涡从四种位置进入进气道时对流场特性和进气道性能的影响。结果表明,两种强度的流向涡与进气道波系相互作用后均未破碎,属于典型的弱相互作用。进气道内收缩段入口附近的分离区在流向涡影响下出现明显的三维非对称特征。此外,随着流向涡接近边界层,分离区的分离点逐渐向上游移动。在流向涡的影响下,进气道的流量系数和总压恢复系数均出现下降,并且流向涡的强度越强、距离边界层越近,对进气道性能的不良影响越明显。特别地,在最大攻角和最低位置的工况下,进气道内收缩段入口上游形成了大规模的分离区,使得入口截面流场的畸变系数相比均匀来流情况增大了约4倍,流量系数下降了约6.1%,总压恢复系数下降了约17.2%。

印度双低涡对青藏高原西部一次典型暴雪过程的影响

利用地面气象观测数据、欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料和FY-4A卫星云顶亮温数据,对2021年10月18—19日青藏高原西部暴雪过程进行综合分析,研究印度北部低涡对强降雪天气的贡献。结果表明:本次强降雪过程在南支槽东移和印度低涡异常活跃的背景下产生,南支槽前高空急流和印度北部东西向两个低涡为高原西部强降雪提供了有利的环流背景;降雪期间,印度北部至喜马拉雅山脉以南地区东南风低空急流大爆发,建立了一条由孟加拉湾向西输送的水汽通道,使得孟加拉湾水汽能够向西输送;生成于印度西北地区的对流层低涡系统一方面阻挡水汽继续向西输送,有利于孟加拉湾的水汽在低涡东部聚集,另一方面增强低涡东部偏南气流与高原大地形之间的强迫作用,使得大量水汽能够源源不断地从对流层低层沿高原南坡陡峭地形向上爬升至高原,为强降雪天气提供充足水汽条件;高空位涡侵入是印度西北地区的低涡系统生成发展的重要原因。总的来看,印度北部的低涡系统在此次高原西部降雪天气中起了重要作用,在高原地区降雪预报业务中,有必要加强对低纬度地区对流层低层低涡系统的跟踪监测。

尾随涡对风力机叶片气动性能影响机理研究

以PhaseⅥ风力机叶片为研究对象,以r/R=30%、63%和95%处叶素为参考,建立与7、9、15 m/s试验风速下该风力机叶片附着涡环量沿展向分布相同的叶片模型,分析尾随涡对风力机当地翼型气动性能的影响机理。采用带转捩效应的SST k-ω湍流模型,对所建立的叶片模型和二维S809翼型的气动特性进行研究和对比分析。结果表明:旋转叶片尾随涡对分离现象产生抑制作用且随攻角的增大减弱;尾随涡的影响表现出多重效应,除了减小当地翼型的攻角,还降低其吸力面负压系数和压力面正压系数。

广义地表准地转方程的非对称行波涡对解

该文利用涡方法研究广义地表准地转(gSQG)方程具有不同尺度、不同分布的反向旋转涡对的存在性。利用变分方法构造一族非对称的行波涡对解,并对该族涡对解的渐近行为进行了分析.

同向旋转涡对融合机理的数值模拟研究

飞机起降过程中,翼尖涡和襟翼涡相互作用,形成同向旋转的涡对。它们相互诱导同时向上卷起,并逐渐融合成为一对尾涡。尾涡对后面飞机的安全飞行有非常大影响,并且直接关系到机场航班数量。通过研究涡对融合的机理,可以预见甚至控制涡对融合的位置以及尾涡耗散。采用大涡模拟方法对同向旋转涡对融合机理进行了研究。分析了从涡丝生成到涡对融合的过程,并给出了不同平板间距及不同迎角下,涡对融合距离的非线性特性,计算结果与试验结果进行了比较,认为两者相符很好。

不同分离距离的涡对融合

为研究涡对融合过程的非线性现象,将模型简化,用数值模拟方法,通过求解LES的N-S方程,得出不同分离距离的涡对融合过程.根据不同截面位置的流线变化,通过流场的拓扑结构,分析相互耦合涡对融合的机理及分离距离对融合过程的影响,及不同强度比例的涡对融合过程对漩涡位置的控制作用.结果表明,融合距离随分离距离增大呈非线性增加趋势,涡对分离距离的增加使其对漩涡位置的控制作用减弱.

圆柱绕流远场涡对的数值模拟

基于离散涡方法求得非定常、不稳定流场,数值模拟了三种不同时刻高雷诺数下圆柱绕流涡结构的发展. 从流谱图、等涡量线图和涡谱图可以清晰地看出从近场的初生卡门涡街,过渡到远场的二次涡街的过程. 计算结果发现: 远场离散涡有形成二个涡的涡对及三个涡的涡对的趋势. 计算结果说明了流体运动中涡对结构的本质: 由于来流是均匀的,没有加入任何扰动,当流体流过钝体时产生具有剧烈分离的不稳定流动,因此在远场形成的二次涡对及卡门涡街是由于流体本身的动力不稳定而引起的. 从而增加对远场尾迹流及涡对结构的理解.

高马赫数来流条件下斜激波与流向涡对相互作用

针对斜激波入射流向涡对形成的复杂流动干扰现象,在来流马赫数6条件下,利用双支架支撑的后掠斜坡式涡流发生器生成流向涡对,采用数值模拟结合激波风洞实验,研究了斜激波与流向涡对相互作用引起的激波变形和旋涡演变。结果表明,斜激波与流向涡对相互作用的剧烈程度大致分为强、中、弱三种。在强相互作用下,激波面向上游凸起的程度最剧烈,呈现类“T”字型特征,其对称面处接近于一道正激波,波后出现回流区和局部流动滞止,使得流向涡对发生破碎;在中等相互作用下,对称面处存在局部正激波,但没有出现回流区;在弱相互作用下,不再出现局部正激波。进一步地分析发现,斜激波与流向涡对相互作用产生的流向涡对破碎现象,不符合经典的激波作用下单个流向涡破碎理论的预测。采用流向涡对对称面处的气流参数,对经典的流向涡破碎理论进行修正后,能够预测本文流向涡对在斜激波作用下是否发生破碎。

梅雨期经大别山两侧暴雨中尺度低涡对比分析

通过统计分析2007-2011年梅雨期间江淮流域暴雨日数和低涡过程,结果表明低涡暴雨占41%,且绝大多数为浅薄低涡(700 hPa以下),此类低涡易受大别山地形影响。在地形和高空引导气流的共同作用下,经大别山南侧沿长江流域及经山脉北侧沿淮河流域的浅薄低涡遇大别山绕行、爬坡同时存在,并且北部低涡增强大于南侧,进而影响到低涡暴雨形成沿淮河流域和长江流域的两条雨带。环境高低空急流的风切变配置状态不仅有利于浅薄低涡的气旋式增强,并且指示低涡东移路径与低涡位置。而势力较弱的低空急流受大别山南部地形的影响,也表现出有绕行和减弱的阶段,进而可影响到山北淮河流域低涡的强度增幅和伴随的暴雨强度比山南长江流域低涡强一些。绕行山脉南北两侧的低涡暴雨带的湿位涡特征表明,垂直剖面上湿位涡正斜压分量垂向梯度带的配置,且其强度与对应的降水强度成正比,沿淮河的北路低涡湿位涡因环境风场垂直切变大,其强度更强。数值试验结果表明,大别山地形对低涡路径的南北绕行、低涡强度的山前减弱山后加强以及水汽辐合的强弱有直接影响。山脉南部迎风坡的强辐合抬升以及山脉北部弧形背风处对气流的拉伸辐合汇聚,成为大别山地形有利于水汽辐合上升,增强低涡暴雨量的两个重要部位。由于大别山南段的主体部分范围高大,所以对绕行山南部的低涡影响更为显著。

南亚高压南部环境位涡对台风加强的影响分析、

利用2002—2009年8年中6、7、8、9月的NCEP 1°×1°再分析资料对登陆我国大陆的台风与150 hPa高层位涡的关系进行统计,8年中共有23个台风受到150 hPa南亚高压南部边缘位涡的影响。其中3个台风(0216"森拉克"、0604"碧利斯"、0903"莲花"),在其发展初期在南亚高压南部的大值环境位涡进入台风中心后,台风中心气压下降。通过诊断分析从等值线的角度得出高层位涡与此类台风发展的关系,在150 hPa高层正位涡异常的作用下,等熵面向大值位涡处汇聚,这种形式可使正位涡异常区两侧的等熵面向下倾斜,从而引起台风中高层的暖中心加强以及中层位涡增大,中层的位涡增大以及暖中心的出现又有利于低层气旋性涡度增长,导致台风中心气压下降,使台风强度增强。根据吴国雄的倾斜涡度发展(SVD)理论,其原因可能是等熵面倾斜使垂直涡度发展,从而加强对流运动潜热释放使台风暖心加强,使得台风的强度加强。通过位涡反演试验也证实了高层位涡对中层位涡发展的影响大于低层。

逆向涡对超疏水壁面减阻影响的TRPIV实验研究

超疏水壁面由于具有减阻和自清洁功能而成为国内外减阻和海洋防污等研究领域的热点之一,而20世纪湍流中相干结构的发现为湍流的控制指出新的方向,尤其近壁区涡结构对摩擦阻力贡献很大.利用高时间分辨率粒子图像测速技术,研究了超疏水壁面(SH)以及亲水壁面(PH)湍流边界层中正负展向涡的空间分布特征,研究逆向涡对超疏水壁面近壁区流动结构的影响和超疏水壁面的减阻机理.首先利用空间多尺度局部平均涡量的概念提取壁湍流发卡涡展向涡头(顺向涡)和逆向涡,实现了准确识别涡心并排除小尺度涡的干扰;然后根据检测到的顺向涡和逆向涡流线分布图,发现逆向涡始终处于正向涡的上游和下方,并且对正向涡的进一步发展起抑制作用;最后对两种壁面边界层中逆向涡数量以及出现概率进行对比,发现具有减阻效果的超疏水壁面边界层中出现更多逆向涡.说明逆向涡可抑制上方顺向涡与壁面的强烈剪切,并使靠近壁面的流体加速,从而产生减阻效果;超疏水壁面中涡结构具有更大的β角,使其更好地阻碍了发卡涡头附近强烈的喷射和扫略;超疏水壁面逆向涡出现概率明显大于亲水壁面.这些结果表明:超疏水壁面表现出的减阻特性(Reδ≈13 500,减阻5.8%)与两板产生逆向涡的差异有关.

多纵向涡对管内湍流换热特性影响的数值分析

对多纵向涡对管内湍流换热和流阻特性进行了数值分析。结果表明,多纵向涡可明显强化管内湍流换热,其流阻增加与换热增强相当。在计算范围内管内湍流换热时纵向涡对越多强化效果越好,多纵向涡的尺度应与热边界层厚度相当。同时,管内多纵向涡沿轴向还具有不易衰减的特性,这为多纵向涡的应用提供了方便。

液固两相流中流体旋涡对固体粒子运动影响的数值研究

基于离散涡方法求得的非定常、不稳定流场和颗粒的Lagrangian运动方程，数值计算了四种St数下的泥沙粒子在圆柱绕流场中的运动。计算结果证明了颗粒运动与流体旋涡存在着明确的相关结构：在钝体（圆柱）表面附着泥沙，当流体流过钝体时产生具有剧烈分离的不稳定流动，带动钝体表面泥沙起浮。对于小St数（0．15～0．59）与中等St数（1．33～2．36）的泥沙颗粒被流体旋涡所带起，井被卷入流体旋涡结构内，被卷入流体旋涡结构内的泥沙颗粒在运动过程中始终分布于旋涡区，即在旋涡区聚集。

纵向涡对近壁湍流影响的激光测试

用激光测试方法详细地研究了单涡、上洗双涡、下洗双涡对近壁湍流的影响．在涡的下洗区，流体流速高，湍流度低，流体流向壁面；在涡的上洗区，流体流速低，湍流度高。

一个β中涡对双台风相互作用影响的物理过程

利用高分辨率f平面正压拟谱模式,分析一个β中尺度涡对双台风相互作用影响的物理过程。结果表明:β中涡的存在可以使原本排斥的两个DeMaria型台风涡旋合并;β中涡改变双台风相互作用终态的物理机制是:初始时段处于某一台风涡旋正影响区内的β中涡,构成了非对称涡度场,进而在该台风涡旋内部产生指向另一个台风涡旋的气流。该气流如果足够强,则会使两个台风的中心距离在短时间内下降到合并临界距离之内,触发双涡合并过程的发生。

随机分布的小尺度涡对涡旋自组织影响的研究

以往双涡相互作用的动力学一般都在决定性的框架内研究。文中用一个平流方程模式,实施积分时间为30 h的8组试验,分析决定性和随机性共存系统中双涡相互作用和涡旋自组织的问题。随机性通过以下方式引入模式:先用Iwayama方案生成随机分布的小尺度涡,再将这些小尺度涡加入初始场。试验中,初始随机分布小尺度涡的强度参数K分别取0.0、0.4、0.6、0.8和1.0。结果表明,没有小尺度涡的条件下(K=0.0),初始分离的两个β中尺度涡逆时针互旋,其准终态流型是两个分离的涡;引进小尺度涡后,K取0.8、1.0时,初始分离强度相同的两个β中尺度涡,逐渐形成主次之分。主涡将次涡拉伸成为螺旋带,其准终态流型是一个自组织起来的类似于台风环流的涡旋。准终态涡中心的相对涡度值随K值的加大而加大。结果还表明,准终态流型不仅与初始小尺度涡的强度参数有关,而且与初始小尺度涡的分布有关。此外,在相同初始场的情况下,还实施了3类不同边畀条件的试验:第1类,在东西边界取周期条件,在南北边界取固定条件;第2类,在所有边界均取固定条件;第3类,在所有边界均取周期条件。这3类试验的准终态流型相同,都显示出一个类似于台风涡旋的环流。根据这些结果可以初步认为,涡旋自组织的研究从决定性动力学向随机动力学的过渡是值得探索的。