槽道湍流中拟涡能输运对反向控制的瞬时响应

利用直接数值模拟研究了槽道湍流中脉动拟涡能输运对反向控制的瞬时响应.发现流向和展向拟涡能的衰减首先由拉伸产生项的抑制引起,而法向拟涡能的减小是因为控制阻碍了平均剪切的倾斜.在控制的初始阶段,流向拟涡能的演化远远落后于其它两个分量的变化.法向涡量快速单调减小,并对其它两个分量的减弱起到了重要作用.

大气涡能后滞现象旱涝显效应在农业气象预报增产减灾中的作用

用天文周期中大气能能量形成的季预报方法，在我国以夏汛为主的４４年历史及实际预报试验检验基础上，对照涡度场分析计算，肯定了在特定时空条件下的大气涡皮起始场中存在着涡能后滞现象，本文简要介绍应用这个效应形成的预报方法在大面积粮食增产及防旱抗涝决策中的应用效果。

北太平洋黑潮延伸体区域和副热带逆流区域中尺度涡能量特征研究

不同科研工作者对黑潮延伸体区域和北太平洋副热带逆流区域的中尺度现象进行过不同的研究,但对两区域中尺度涡进行统一比较分析的工作较少。因此,本文利用11年的卫星高度计海表面高度异常资料分别对这两个区域的中尺度现象特征及其能量变化过程进行系统的分析和对比。研究发现,两区域的气旋涡与反气旋涡在分布、振幅、能量和寿命上均存在差异;进一步的动能谱分析和能量串级讨论发现:两区域的动能谱密度虽均集中在2×10–3~4×10–3周/km的波数域上,但黑潮延伸体区域大部分涡旋信号分布在经向上,而北太平洋副热带逆流区域主要分布在纬向上,这可能与两区域中尺度涡能量来源的不同有关。由于两区域在2×10–3~3×10–3周/km的波数域上动能转移项以负值为主,这说明两区域在此波数域上均存在能量源,并且发生能量逆向串级。

南海北部M2内潮与中尺度涡能量的数值研究

基于真实地形下的三维数值模拟结果,对南海北部的M2内潮、中尺度涡能量以及两者相互作用过程进行了研究。结果显示,M2内潮冬季稍强于夏季,在吕宋海峡生成的能量,冬季(12.2 GW)比夏季(11.6 GW)强5.2%,传入南海的能通量,冬季(4.2 GW)比夏季(3.8 GW)强10.5%,内潮能通量的空间分布在冬夏两季基本保持一致。中尺度涡的模拟结果显示,在南海内冷涡与暖涡个数相当(8个/a),冷涡的平均存活周期约为40 d,比暖涡的31 d长。当冷涡出现时,内潮非锁相部分的能通量大小及水平动能均出现明显增强现象,冷涡对内潮传播射线的汇聚作用是主要原因;M2内潮和中尺度涡相互作用期间可以激发或抑制高模态内潮,也存在无显著影响的情况。

近十年我国涡旋系统的研究进展

近年我国暴雨和强对流等中小尺度灾害性天气频发,涡旋是产生这些灾害天气的重要天气系统之一。为了不断提高对我国涡旋及其产生的暴雨和强对流天气发生发展机理的认识和预报准确率,本文对容易引发长江流域沿线灾害天气的三类涡旋(高原低涡、西南低涡和大别山涡)及对北方地区暴雨、强对流天气有重要影响的东北冷涡、中亚低涡的主要研究成果进行了梳理。主要回顾了近十年这些涡旋的识别方法、时空分布统计特征、三维结构以及产生的暴雨、强对流天气机理。最后,对与涡旋系统以及相关天气的研究与预报中的问题、未来发展方向进行了简要讨论和展望。

活跃涡与准静止涡能量场特征差异

对盛夏7，8两个月西南低涡个例θse能量场综合分析后发现：活跃类西南低涡（活跃涡）与准静止类西南低涡（准静止涡）能量场特征具有明显差别。

两次不同生命史东移高原涡的动力结构与成因分析

利用NCEP再分析资料对2008年6月25-27日和2013年6月4-10日两次东移出高原的高原涡过程进行结构特征和演变机制的诊断分析,探讨两次长、短路径高原涡过程的结构特征和造成不同生命史的影响因子。结果表明:(1)路径短的扎多涡活动过程中,南亚高压呈扁平状,高空急流偏南,高原涡处在下滑槽中移出高原;路径长的曲麻莱涡活动过程中,南亚高压有些北拱,高原涡处在南亚高压脊前西北气流下空,副高偏南,高原涡随低槽东移加强,并伴有西南涡东移。(2)两次高原涡过程结构特征差异明显,主要表现在扎多涡在高原上增强时、曲麻莱涡与西南涡耦合及之后再度加强时的结构特征,前者低涡处在600~350 hPa较深厚的正涡度、上升运动层内,还具有对流层高层强辐散的结构特征;后者具有对流层高、中、低层正涡度贯通、对流层内为上升运动、对流层低层辐合,对流层高层弱辐散的结构特征,其中对流层低层由整个对流层内为最强正涡度,演变为整个对流层内为最强正涡度、最强上升运动、最强辐合。(3)总涡度收支诊断表明,散度项变化对低涡总涡度变率变化起决定性作用。扎多涡的强度变化与散度项变化一致。曲麻莱涡在与西南涡伴行过程中,垂直输送项、水平平流项的影响在加强。(4)涡中心区500 hPa正涡度变率的收支分析看出,高原涡在没有西南涡活动时,对高原涡的500 hPa正涡度变率贡献的主要是涡度辐合造成的;在有西南涡活动时,随着与西南涡垂直方向叠合、伴行,正涡度垂直输送显得更加重要。

青藏高原东坡地形对影响云南降水的高原涡的作用机理

利用常规观测资料、FNL分析资料及经质控后的自动站小时降水数据,诊断分析了青藏高原东坡地形在2017年7月2-3日高原涡影响云南降水过程中的作用,并利用数值模式WRFv4.0对此次过程进行了地形敏感性试验。结果表明:高原涡是此次云南强降水的重要影响系统;低涡中心及附近区域中高层维持暖心结构,并呈现显著的上升、下沉运动交替的分布;过程累积雨量分布表现为两条明显的与山脉走向平行的西北-东南向雨带,且具有强弱交错的分布特征,强降水集中出现在午后至傍晚及前半夜两个时段内,中心均位于地形边坡,并随着低涡向下游传播;南亚高压、西北辐散气流、西太平洋副热带高压及滇缅高压为低涡的东移发展提供了有利的高空环流场,500 hPa正涡度及700 hPa水汽通量辐合中心对强降水落区具有较好指示意义;低涡降水期间存在β中尺度重力波,波动由青藏高原东坡地形激发,沿着300~200 hPa的气层传播,高空的非地转平衡运动及垂直风切变为重力波的发展及传播提供了有利条件,重力波先于低涡及降水向下游方向移动及发展,波脊处对应上升运动及辐散中心,波槽处对应下沉运动及辐合中心,强降水及波脊均位于低涡西南侧强辐合上升运动区;地形高度降低后,其机械阻挡抬升作用减弱,重力波和高原低涡消失,雨带强度及空间分布特征发生显著改变。高原东坡地形对高原涡的形成和发展,以及高原涡影响下的云南降水具有重要作用。

大跨度公铁双层斜拉桥主梁涡激共振机理与控制

以拟建的某主跨808 m公铁双层斜拉桥为工程依托,采用节段模型风洞试验研究不同攻角下双层桁架梁断面的涡振性能及5种气动控制措施的抑振效果,结合计算流体动力学(CFD)静态绕流模拟,对比分析双层桁架梁断面的涡振机理及控制方法.研究表明:主梁断面原设计方案在+3°和0°风攻角下存在明显的竖向和扭转涡振现象,且振幅超过规范允许值;间隔封闭上层桥面栏杆或增设抑流板可有效抑制主梁扭转涡振,但竖向涡振振幅仍不满足规范要求;上弦杆外侧增设风嘴可有效抑制主梁竖向和扭转涡振,而下弦杆外侧增设风嘴对主梁涡振抑振效果有限.气流经主梁原设计断面上层桥面分离后,在其上下表面形成周期性脱落的大尺度旋涡,并在上层桥面后部再附,这是主梁发生竖向涡振的主要诱因;上弦杆外侧增设风嘴可引导气流平稳通过上层桥面,消除了周期性的旋涡脱落,并在其上表面形成一段狭长“回流区”,从而有效抑制了涡振的发生.

基于CFD与风洞试验的边主梁涡振气动措施

为能够快捷且经济地完成开口类钝体桥梁断面涡振制振气动措施的选型,以一座边主梁叠合梁斜拉桥为背景,采用“CFD(computation fluid dynamics)数值模拟选型+风洞试验验证”的思路对其涡振制振气动措施选型进行研究.该桥原设计主梁断面在常遇风速下存在显著涡激振动,为完成气动措施的初步选型,采用CFD数值计算对原设计断面的流场进行模拟,通过研究原设计断面的旋涡脱落状态确定主要旋涡抑制对象,进而有针对性地模拟了3种气动措施(下中央稳定板、导流板与风嘴)对主要脱落旋涡的抑制作用,通过将各断面旋涡脱落状态与三分力系数进行对比分析,得到各断面涡振性能的相对优劣关系,并最终选取风嘴与下中央稳定板结合而成的组合气动措施进行风洞验证试验.试验结果表明:该组合气动措施能够有效抑制梁体在各风攻角下的涡激振动,且在+5°风攻角下,通过风洞试验得到的导流板、下中央稳定板、风嘴组合气动3种措施对原设计断面涡振振幅的减小作用依此递增,分别为2.7%、27.7%与87.4%,制振能力高低关系与数值模拟结果相一致;本次数值模拟结果符合预期要求,未来可针对不同类型桥梁断面进一步扩展数值模拟与风洞试验结果对比的数据集,以期更为准确、快捷地完成气动措施的选型.

江淮梅雨期持续性暴雨和极端强降水事件的位涡比较分析

基于我国气象台站观测降水数据和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)第五代大气再分析资料(ERA5),从位势涡度(位涡)强迫垂直运动的角度,揭示了江淮梅雨期持续性暴雨和极端强降水事件的动力学机制及差异。基于改进的两种事件定义方法,识别出1979—2020年梅雨区共发生了24次持续性暴雨事件及24次极端强降水事件。事件合成分析表明,持续性暴雨事件最强雨带主要位于长江及其以南地区,而极端强降水事件最强雨带则位于长江及其以北地区。持续性暴雨事件与热带大气低频振荡密切相关,其中南亚高压偏东、西北太平洋副热带高压偏西,因而高空偏南的西风急流附近具有高值位涡的干冷空气向南和向低空入侵,在中低层与西南暖湿气流辐合并形成梅雨锋区。极端强降水事件更大程度地取决于偏北的西风急流南侧的高空辐散及位涡强迫的强冷空气。对于极端强降水事件位涡收支的定量诊断表明,在强降水达到峰值及之前,高层负的位涡倾向主要由负的垂直位涡平流所导致,而中低层正的位涡倾向则主要取决于垂直非绝热加热的位涡制造和垂直位涡平流。结合典型个例的垂直速度分解,进一步证实梅雨区上空水平位涡平流随高度增加的垂直分布激发的上升运动分量在极端强降水事件起着重要作用。

悬索桥竖弯涡振MTMD减振控制效果和参数优化研究

为研究多重调谐质量阻尼器(Multiple Tuned Mass Damper,MTMD)抑制桥梁单阶涡振的性能,建立桥梁结构-MTMD系统竖弯涡振广义单自由度动力方程,以某大跨度悬索桥为背景进行MTMD减振控制效果和参数优化分析。采用数值方法求解动力方程,获得系统在简谐涡激力下达到稳态谐振时结构的动力放大系数和MTMD对结构的附加模态阻尼比,并与单一频率调谐质量阻尼器(Single Tuned Mass Damper,STMD)的减振控制效果进行对比,然后以附加模态阻尼比为目标对MTMD进行参数优化。结果表明:MTMD比最优参数STMD拥有更宽的控制频带和更好的减振效果,经优化后的MTMD减振性能优于最优参数STMD。实际应用MTMD时,应选择较大广义质量、5~7种频率规格,并根据二者找到无量纲频率范围和各TMD阻尼比的惟一最优取值。

基于Omega涡识别方法的径流式水涡轮尾水管涡带特性

为了研究水涡轮尾水管的涡带特性与Omega涡识别方法对尾水管涡带的识别效果,对比了Q准则和λ_(2)准则以及Omega涡识别方法对尾水管涡带的识别效果,并基于Omega方法和降维的Omega方法分析了不同工况下尾水管的涡带特性.结果表明:对于径流式水涡轮,通过合理调整阈值,Q准则和λ_(2)准则以及Omega涡识别方法均能识别到清晰合理的尾水管涡结构,而Omega方法阈值选取区间较小且具有不敏感性;水涡轮尾水管在小流量工况时会出现较长的涡带,不利于机械的稳定性.同时运用二维Omega涡识别方法与拟涡能指标,在不同工况下对尾水管各监测面进行定量分析,确定涡量浓度高的区域,研究尾水管的能量耗散规律.结果发现,尾水管进水口到弯管之间的区域涡量浓度最高,能量耗散最大,流态最不稳定,这可为该型式水涡轮的结构优化提供理论参考与数据支撑.

基于涡分析的旋涡泵内流动能量转换特性研究

为研究旋涡泵内复杂的旋涡特征,量化泵内旋涡体积和强度,分析旋涡结构对能量转换和能量损失的影响规律,采用非定常数值模拟和外特性实验相结合的方法对单级旋涡泵进行分析,综合使用Ω方法和Liutex方法对泵内旋涡进行识别和强度表征,提出平均旋涡强度进行量化研究,并结合动能方程的涡动力学分解式以及涡量分解理论进行分析。结果表明:泵内的旋涡充分发展区域存在螺旋形的管状旋涡结构,该旋涡从叶轮流道流出进入侧流道,并且随着流量的增大,涡管数量减少且旋涡强度降低;流量的增大使得叶轮内的旋涡体积和强度减小,而其在侧流道内相对变化较小,相同工况时叶轮内的平均旋涡强度远大于侧流道内;压力梯度对流体动能转换的贡献最大,旋涡结构引起的动量输运和耗散损失占比较小,但刚性涡量即旋涡结构的强度与动量输运呈正相关,变形涡量则与拟涡能损失相关性较强。

位涡源汇和位涡环流及其天气气候意义

在扼要回顾地表位涡研究进展的基础上,本文介绍了复杂地形下的位涡及位涡制造的计算及近年来关于位涡源汇和位涡环流(PVC)的研究进展,侧重介绍青藏高原表层位涡的特殊性及其对天气气候的重要影响。阐明对于绝热和无摩擦大气运动,由于位涡本身的结构重组(位涡重构)可以引起垂直涡度的发展,在夏季可以激发高原涡形成,冬季使青藏高原东部成为重要的表面涡源。基于导得的包括非绝热加热作用的、与等熵面的位移相联系的垂直运动(ωID)方程,进一步阐明青藏高原制造的正位涡沿西风气流东传会引起下游地区低空气旋性涡度、偏南风、和上升运动发展,导致位涡平流随高度增加,激发极端天气气候事件发生发展。指出青藏高原地表加热和云底的潜热释放的日变化显著地影响着地表层位涡的日变化,导致青藏高原的低涡降水系统多在午后至夜间发生发展。证明与传统的青藏高原感热加热指数相比,青藏高原地表层位涡指数能够更好地刻画关于降水的季节变化,与亚洲夏季风降水相关更密切。本文还简单介绍了PVC的概念。指出由于区域边界面的PVC的辐散辐合的变化直接与区域位涡的变化相关联,为保持北半球位涡总量的相对稳定,跨赤道面上的PVC变化与地表PVC的变化必须相互补充,因此跨赤道面上的位涡环流的变化可以成为监测近地表气候变化的窗口。近赤道的海气相互作用能够直接造成沿赤道垂直面上的纬向风垂直切变的变化,激发跨赤道位涡环流异常,从而通过大气内部PVC的变化和青藏高原的调控影响北半球近地表的气候变化。结果表明位涡环流分析为建立热带和热带外大气环流变化的联系开辟了新的蹊径,有着广阔的应用前景。

机翼翼尖涡与平尾翼尖涡的相互作用研究

飞机尾涡的发展与同跑道降落后机的飞行安全及机场起降效率密切相关。尾涡近场特性主要决定了着陆阶段飞机的尾涡强度。以A320飞机简化缩比模型为研究对象,在1 m×1 m低速水洞中开展了尾涡近场形态流动显示实验。研究结果表明:平尾涡在拖出过程中围绕翼尖涡旋转,不同流向站位的旋转角速度存在差异。对比模拟结果发现:平尾涡绕翼尖涡的旋转角速度与实验结果基本吻合,说明不同雷诺数下涡对发展在相对位置旋转角速度特性方面具有一定相似性。

水泵水轮机尾水管压力脉动特性及涡带特性分析

抽蓄电站是电网的重要组成部分,水泵水轮机长时间偏离最优工况运行会导致水力不稳定问题,其中,尾水管涡带和压力脉动问题备受关注,严重影响机组安全稳定运行。以水泵水轮机为研究对象,分析了其尾水管内流特性与压力脉动时频特性。对比了两种第二代和两种第三代涡识别方法对尾水管涡带演化过程的可视化效果,Omega-Liutex涡识别方法对阈值依赖性小且对涡带形态的识别更清晰完备,因此,采用Omega-Liutex涡识别方法研究了不同负荷工况下尾水管涡带的瞬态变化特性。研究结果可以为水泵水轮机稳定运行提供一定的理论参考。

控制杆-强制旋转对圆柱涡激振动的抑制作用研究

为实现圆柱涡激振动的高效抑制,本文基于控制杆-强制旋转组合结构讨论圆柱涡激振动的抑制问题。对低雷诺数下的圆柱涡激振动进行数值模拟研究,对比分析不同控制杆数量和圆柱转速比下的流场特性、振动响应和流体力响应等。结果表明:与裸圆柱相比,控制杆具有一定的涡激振动抑制效果;对于三、五控制杆,通过调节转速比,可以实现最高98%的圆柱振幅抑制(对三控制杆,转速比为0.4~0.6;对五控制杆,转速比为0~0.2);圆柱振幅抑制与圆柱减阻区间相同;对于四、六控制杆,旋转对振幅抑制的影响较小;主圆柱表面的漩涡脱落和漩涡的合并会引起流体力系数的高幅波动,导致圆柱高振幅响应;没有漩涡合并和圆柱表面脱涡不明显时,流体力系数则无明显波动,圆柱振幅也显著降低。

高速列车受电弓上下臂杆气动降噪大涡模拟研究

受电弓是露置于高速列车顶部的重要受流装置,其所产生的气动噪声是高速列车的主要噪声源之一。为了降低受电弓所产生的气动噪声,采用椭圆截面直杆件和椭圆截面纵向扭转杆件两种方案替代原有上下臂杆的圆形截面直杆件,基于大涡模拟(large eddy simulation,LES)结合Ffowcs Williams and Hawkings(FW-H)声类比的方法分析流场特征与气动噪声辐射,研究新型受电弓杆件对流场及近、远场气动噪声特性的影响。研究结果表明:在不同列车速度下,与圆形截面杆件相比,椭圆截面纵向扭转杆件受电弓在近、远场辐射的气动噪声有所减弱,具有一定降噪效果;当列车速度为300 km/h时,椭圆截面纵向扭转杆件受电弓远场25 m处声压级最大值可降低约4.3 dB(A),降幅约4.4%;当列车速度为400 km/h时,其近场7.5 m处声压级最大值可降低约5 dB(A),降幅约5.5%。

边箱式π型断面涡振性能及导流板措施参数研究

π型断面因构造简单与受力性能好,被广泛应用于桥梁建设中,但其抗风性能差,易产生涡激振动问题.本文以边箱式π型断面桥梁为研究对象,采用宽高比10∶1的π型断面刚体节段模型进行同步测振测压试验,并且通过计算流体力学方法加以对比验证,研究π型断面涡振性能与导流板抑振机理.试验结果表明:边箱式π型断面在0°、±3°风攻角下发生显著涡激振动,通过在断面两侧加设特定形式及尺寸参数的导流板措施可抑制断面竖弯及扭转涡振.其中,倒L型导流板措施气动优化效果显著,可有效消除涡振振幅,而水平导流板措施的抑振效果有限,相较于竖弯涡振,扭转涡振对于水平导流板尺寸参数更为敏感.通过对比数值模拟结果与表面气动压力分布,表明倒L型导流板措施能够优化断面气动外形,削弱断面上下表面旋涡脱落尺度和能量,同时降低断面所受的周期性气动力,从而有效抑制断面涡振.