非定常空化涡旋结构演化及压力波机制的研究

压力波机制是空化流动机制的一种,压力波的产生和传播是空化不稳定的重要来源。基于可压缩流体求解器和分离涡模拟(detached-eddy simulation,DES)研究了三维水翼空化流动。结果表明,压力波是由先前脱落的云空泡溃灭产生的,其传播过程会导致片状空泡的收缩和水翼表面高压力脉冲。压力波的产生会强烈扰乱涡旋的运动,水翼表面上的稳定涡旋结构被卷起,并且被小尺度涡旋结构所替代。采用动力学模态分解(dynamic mode decomposition,DMD)方法分析流场特征,压力波效应和附着片状空泡的演变占据了流场的主要能量。

高速列车近尾流区涡旋结构的湍流特性分析

为降低高速列车的气动阻力和气动噪声提供理论支撑,以CRH380A型高速列车为原型,建立比例尺为1∶30的高速列车空气动力学模型,应用分离涡模拟方法对其周围流场进行数值计算。在对数值模拟方法合理性验证的基础上,结合湍动能和雷诺应力的变化规律,对高速列车近尾流区涡旋结构的湍流特性进行分析。结果表明:在尾车鼻端附近,近尾流区涡旋结构中的湍流涡旋具有可观的湍动能,并随着向下游发展而逐渐耗散,与此同时涡旋结构中所携带的能量沿展向方向移动;在尾车鼻端附近,受车体侧表面分离形成的剪切流动的影响,近尾流区涡旋结构中的湍流涡旋在较高的垂向位置上能够使流向和展向的脉动速度之间保持很好的相关性,而离尾车稍远的湍流涡旋则会在较低的垂向位置产生相对较大的雷诺应力;雷诺应力在垂向上的变化规律受到分别来自车体底部和车体顶部的分离剪切流动的影响,并且尾车鼻端附近的湍流涡旋在受到由车体底部分离形成的剪切流动的作用时,能使流向与垂向的脉动速度之间保持相对较好的相关性,即相应的雷诺应力较大。

基于拉格朗日方法的水翼尾缘非定常涡旋结构研究

湍流中涡旋结构的非定常脱落是普遍存在的,其脱落规律的研究具有广泛的工程应用背景,探索有效的涡旋结构预测方法具有重大意义.采用基于拉格朗日体系的有限时间李雅普诺夫指数方法对水翼尾缘附近涡旋结构的非定常发展过程进行研究.采用大涡模拟方法对水翼周围湍流场进行计算,通过与实验结果进行对比,验证数值模拟方法的合理性与准确性.并在此基础上,对水翼尾缘的非定常涡旋结构进行分析.结果表明:尾缘涡旋非定常动态行为导致水翼动力特征准周期性波动.有限时间李雅普诺夫指数方法可以准确描述尾缘涡的非定常流动细节,拉格朗日拟序结构可以捕捉水翼尾缘涡旋结构和尾迹涡街结构的边界.

太平洋低纬度西边界流和涡旋结构季节变化的观测分析

利用漂流浮标、ADCP和Argo等观测资料，对太平洋低纬度西边界流和涡旋结构的季节变化进行了分析。根据漂流浮标资料计算的北赤道流、棉兰老海流和北赤道逆流具有明显的季节变化，而且北赤道流／棉兰老海流和北赤道逆流在冬春、夏秋之间具有明显的反位相变化，这一特征造成了气旋式棉兰老冷涡强度的季节变化很弱，水团分析表明，该冷涡的水团特性主要是北太平洋热带水。反气旋式的哈马黑拉暖涡强度具有明显的季节变化，其水团特性主要是南太平洋热带水。给出了棉兰老涡和哈马黑拉涡强度的垂直结构，表明这两个涡旋的强度在0～30m迅速减弱，在30～450m近似线性减弱．在450m以下涡旋消失。

三维介观超导环的涡旋结构

在Ginzburg-Landan理论的框架下,运用有限差分法研究了在圆环电流产生磁场下的介观超导圆环内的涡旋结构,讨论了超导圆环尺寸和不同空间分布的磁场对涡旋形成的影响,得到在一般超导圆环体内的基态多是巨涡旋态、而多涡旋态多以激发态形式存在的结论,说明磁场一般从超导圆环的环孔穿过,而很难穿过超导圆环体.

离心风机涡旋结构及失稳流动特性分析

为了了解离心风机转子区域的失稳流动特性,基于SST k-ω湍流模型,探究了风机进流面非均匀流动特性与转子区域失稳流动的匹配关系,并基于涡动力学探究了转子失稳流道的涡旋尺度与结构.研究结果表明,在设计风量下,离心风机转子区域呈现明显的非均匀流动特性,可由气流速度、流动品质划分为稳流区和失稳区.同时,风机进流面流动特性与转子区域内流特性保持较好一致性,压力、速度、进流冲角皆呈现非均匀分布.进流面高速气流仅仅冲刷转子稳流区流道,而进流面低速流体在流经转子轴端后经由离心力的作用流至各个流道.通过使用进流冲角、环量、切向速度等方法,确定了额定工况下转子区域涡旋尺度、堵塞程度最为剧烈的流道,并通过湍动能及涡核分布成功捕捉堵塞流道的涡旋结构.

铁电极化涡旋结构在超晶格中的演化

铁电涡旋结构由于在存储方面的巨大应用前景得到人们广泛关注。本文通过选用不同钪酸盐衬底生长了介电/铁电(SrTiO_3/PbTiO_3)_4以及电极/铁电(La_(0.7)Sr_(0.3)MnO_3/PbTiO_3)_4超晶格,利用像差校正透射电镜分析了薄膜的极化状态,探讨了失配应变和电边界条件对超晶格PbTiO_3层中铁电涡旋结构的影响。研究表明,随着失配应变的增加,周期性涡旋结构由涡旋核心随机分布转变为一上一下交替分布,之后转化为涡旋结构与a畴共存来释放大的拉应变。在电极/铁电(La_(0.7)Sr_(0.3)MnO_3/PbTiO_3)_4超晶格中,涡旋结构呈周期性分布且能够稳定存在于电极La_(0.7)Sr_(0.3)MnO_3夹持的PbTiO_3层中,此结果有利于其在铁电存储器等方面应用研究的开展。

粗糙裂隙内涡旋结构演化特征及影响因素分析

为探究粗糙裂隙内细观流动结构演化过程及影响因素,用COMSOL Multiphysics可视化了不同条件下粗糙裂隙渗流场中的流动结构.基于响应面法建立多因素与涡旋结构面积的二阶多项式回归方程,并进行了方差分析和显著性检验,探讨多因素间交互作用对裂隙内涡旋结构的影响.结果表明:粗糙裂隙内细观流动结构演化过程包括涡旋结构发生、发展、破裂和稳定;回归模型的显著性和适应性良好,可以较为有效确定影响因素的重要程度;多因素交互作用对涡旋结构的影响程度中平均开度最大,速度次之,裂隙粗糙度最小.研究结果对揭示裂隙非线性渗流细观机理有重要意义.

土星出现迄今规模最大温度最高涡旋结构

这张照片由卡西尼探测器拍摄，展示的是在2010年至2011年间肆虐整个土星北半球的巨型风暴系统。在这一风暴系统逐渐平息之后，科学家们发现其在肉眼不可见的红外波段继续存在着。

土星出现迄今规模最大温度最高涡旋结构

从表面上看起来，土星似乎非常平静。然而天文学家们却在这颗行星上观测到了太阳系历史上最为巨大、温度也最高的涡旋结构。这让科学家们认为这颗行星上实际正在发生的变化要远比从外表观察到的多得多。这一椭圆形的大风暴是由两个温暖区域逐渐相互靠近并合并之后形成的。这个巨大的风暴系统在人眼观察的可见光波段是看不到的．但是在红外波段却非常明显。

基于涡旋识别方法的高速列车尾涡结构的讨论

利用改进型延迟分离涡模拟方法对缩尺比例1:30的高速列车简化模型的绕流流场进行数值计算,主要针对近尾流区的涡旋结构展开具体讨论.通过不同的涡旋识别方法,发现在尾涡结构中,高涡量的强涡旋主要聚集于尾车附近,而涡量较低但处于相对稳定状态的涡旋分布在大部分尾流空间中.对此,主要基于最新提出的涡旋定义及其物理意义认为,由于边界层在尾部发生的流动分离,剪切变形以及高涡量的扩散对强涡旋的形成发挥着重要的作用,而涡旋会被较强的剪切旋转拉伸,使得局部复杂的流动表现出突出的湍流特性;另一方面,尽管涡强度明显下降,但是在强剪切应变迅速衰减的情况下,流向涡核中的涡旋涡量是主要的,此时,在较接近地面的情况下,流体微团以涡核为中心的旋转运动使得涡旋与地面之间的相互作用成为主导的流动机制.虽然涡强度会相对缓慢地衰减,但是从湍流能量产生的角度,该机制对涡旋的自维持发挥重要的作用,从而使尾涡结构能够相对稳定地存在于尾流流动中.

梅雨锋致洪暴雨β中尺度涡旋的数值试验和结构分析

运用 PSU/NCAR的 MM5 V2的嵌套模式 ,对 1 998年 7月的武汉致洪暴雨过程作了成功的数值模拟。并运用模式输出的高分辨率资料对引起此次特大暴雨的 β中尺度涡旋系统的结构作了诊断分析。分析了涡旋系统在 3个不同时期的三维结构特征 ,特别是得到与暴雨雨团相联系的β中尺度垂直环流分布特征。指出涡旋系统的水平范围在 90 km左右 ,涡旋环流只在对流层中层 ( 85 0 h Pa～ 65 0 h Pa)比较明显 ,与涡旋相伴的是一个在狭窄区域内物理量高度集中 ,并向垂直方向发展的暖心正涡度柱。

双能隙介观超导体的涡旋结构模拟

本文运用了含时Ginzburg-Landau理论研究了双能带结构的介观超导体在外磁场作用下涡旋随时间的演化.给出了实际温度在s波和d波的临界温度之间s波、d波以及磁场的分布,从理论上模拟得到涡旋进入和退出样品的磁场"过热"与"过冷"现象,以及介观超导样品边界对涡旋结构分布的影响.

基于浸入单元法和延迟分离涡模型的Ahmed车模尾流涡旋结构

在浸入单元法(IBM)和PISO算法的基础上,实现了IBM-PISO求解算法,利用延迟分离涡(DDES)湍流模型,实现了对汽车外流场涡旋结构的准确模拟。以2D圆柱绕流算例,从流场的时均特性和涡脱特性验证了IBM-PISO求解算法的准确性。在此基础上,应用DDES湍流模型对Ahmed整车模型的流场进行仿真,得到不同斜背倾角对尾部流场时均特性和瞬态特性的影响规律,同时研究了尾部流场主要涡旋结构输送和演化规律。结果表明:IBM-PISO求解算法能够在外流场分离区得到较为准确的结果,解析出包括回流涡旋、顶部λ涡旋、C柱尾涡、头部马蹄涡以及侧壁涡在内的主要涡旋结构;C柱尾涡和侧壁涡在尾流输送过程中进一步增强湍流强度并主导尾场后部流场;斜背倾角决定了斜背处的分离特性,从而直接影响斜背表面和尾流前部的流场特性。

风波水气界面湍流涡旋结构研究

采用有限体积方法和自由界面捕捉格式,发展了基于单流体模型的水气两相流数值仿真模型.所用的对流格式具有良好的数值黏性,不仅能够有效地保证在密度不连续和具有奇异源项条件下的计算稳定性,还可"隐式"地模拟亚网格尺度湍流的黏性效应.作为该领域的探索性研究,我们模拟了风驱动水面波(风波)的发生和发展过程,研究了水气两相流空气侧涡旋运动的发展演变规律.揭示了自由界面附近空气侧涡旋的主要结构特点,涡旋结构与雷诺应力的相互关系,以及两相流中流向涡输运过程的主要特征,并与单相槽道平壁湍流进行了对比分析.

台风涡旋的结构及其与台风运动的关系

用ＦＳＵ区域模式讨论台风涡旋结构及其与运动的关系。台风涡旋的运动在无基本环流和β平面条件下取决于轴不对称环流。而不对称环流的发展源自于从对称环流动能的转换。其转换率取决于对称环流，不对称环流和地球涡度经向梯度三者的相互作用。由于不对称环流动能产生率随高度不变，故台风作为一个统一体以相同的移速移动。

涡旋线圈解析建模的电磁补偿结构设计与应用

基于空间向量积分法建立了共轴涡旋结构载流线圈的解析模型,计算了磁场及磁力,并对特殊取值下的磁场空间分布进行了数值分析和讨论。基于仿真结果,提出线圈密绕情况下的近似模型并进行了相应的误差分析。结果表明,所提模型可有效地直接对磁场分布进行近似,但需对受力近似进行一定的补偿。

高温超导体混合态磁通涡旋结构

利用紧束缚模型，对ｓｄ混合波的存在性作了讨论．在ＧｉｎｚｂｕｒｇＬａｎｄａｎ理论框架下，严格求解了高温超导体混合配对态磁通涡旋结构．结果表明，其磁通涡旋的分布与单个涡旋的结构密切相关．在低温下，由于序参量ｓ波成分的存在及它与ｄ波分量的耦合，引起局域磁场和ｄ波分量的各向异性，使磁通涡旋呈斜格子分布，而在温度近于转变温度时，各向异性消失，涡旋态转化为三角格子．

幂律势阱中玻色-爱因斯坦凝聚体的涡旋结构

本文用虚时演化法和时间劈裂傅里叶谱法研究了幂律势阱中玻色-爱因斯坦凝聚体的基态涡旋分布特征,具体讨论了不同幂律值、旋转角频率以及粒子间相互作用强度对涡旋分布的影响。当旋转角频率和粒子间相互作用强度不变时,随着幂律值的增大,玻色-爱因斯坦凝聚体的基态涡旋分布呈现如下特征:单量子化涡旋开始以普通的三角晶格排列出现,随后凝聚体中心区域密度逐渐减小至零,出现中心洞,继而转变为巨涡旋结构。我们分析发现当相互作用强度一定时,随着幂律值越来越大,凝聚体中出现涡旋与形成巨涡旋的临界旋转角频率都随之越来越小。而当幂律值和旋转角频率一定时,逐渐增强粒子间相互作用强度,凝聚体中涡旋结构由巨涡旋转变成了三角晶格结构。

高T_C超导体的涡旋相结构与超声衰减关系研究

根据Fisher的超导涡旋玻璃相理论,提出了高温超导体混合态超声衰减的涡旋形态模型.论述了高温超导体混合态复杂的相结构,给出了各向异性高温超导体的混合态相图。概括出超声衰减两种类型:钟型(衰减较缓慢)与λ型(衰减较迅速),并且揭示相应的相结构及其特点.同时指出:在温度比超导临界温度低的情况下Pankert超声波与涡旋线相互钉扎机制较为适用,在温度较超导临界温度高的情况,涡旋线相变模型较为适用。