圆管管翅散热器肋侧主流方向绝对涡通量研究

本文以圆管管翅式散热器为研究对象,采用数值模拟的方法对圆管管翅式散热器肋侧空气通道主流方向绝对涡通量的特性进行了探讨。给出了肋侧空气通道主流方向绝对涡通量无量纲化参数,二次流雷诺数;横向管间距、肋侧空气流动雷诺数对二次流雷诺数及努塞尔数的影响。

辐散风和瞬变的涡度通量的异常对定常波年际异常的强迫作用

研究了１９８２／１９８３年１２—２月对流层上层由辐散风和瞬变的涡度通量所产生的涡度源异常对定常波异常的强迫作用。结果表明，瞬变的涡度通量辐合的异常有抵消或耗散辐散风产生的涡度源异常的趋势；定常波的异常是在这两种强迫力的共同作用下维持的。同时还表明，对１９８２／１９８３年的情况，热带和赤道中东太平洋上的涡度源异常以及中纬度北太平洋上的涡度源异常都对太平洋／北美地区的大气环流异常起了重要的作用。

关于大气涡动热通量参数化问题研究

用NCEP/NCAR等再分析资料计算和分析表明,月平均瞬变涡动热通量和月平均温度梯度的局域相关性很低,甚至在一些纬度是负相关,更严重的是二者之间存在非线性的多值对应函数关系。如果用非局域参数化,参数化水平将有所提高,但改进并不明显。通过与分子运动论输运理论进行数学、特别是物理类比提出了考虑“风暴路径”效应的瞬变涡动热通量的参数化方案,经再分析资料的检验,结果表明它能大大提高参数化的水平。其次,还证实采用空间非局域参数化仍然是进一步提高瞬变涡动热通量参数化水平的方法之一。此外,资料分析显示中高纬度纬向平均温度梯度和纬偏涡动温度通量之间也存在负相关及多值函数关系,说明仅用温度梯度去参数化纬向平均涡动热通量难以得到好的结果,需要考虑多元参数化或非同步参数化等。

辐散风和瞬变的涡度通量对定常波的强迫

本文从理论分析、资料诊断和正压模式数值试验三个方面研究了瞬变的涡度通量的辐合与辐散风产生的涡度源之间的关系及它们在对流层上层定常波维持中的作用。结果表明，瞬变涡度通量的辐合对辐散风产生的涡度源有抵消或耗散的趋势；定常波是在两种强迫力的共同作用下维持的。同时还研究了不同地区散度场对定常波的作用，结果表明，中纬度东亚地区的辐合场对维持东亚大槽是重要的。

低平流层涡动热通量近似的最佳参考纬度

通常基于准地转的变换的欧拉平均框架下提出的涡动热通量近似理论计算极区平流层温度变化的动力和非绝热加热贡献,但是这可能会带来一定的误差。本文根据Liu and Fu(2019)提出的欧拉平均框架下新形式的面积加权平均的热力学能量方程,通过滑动累加得到逐月的温度变化方程。再利用1980-2019年欧洲中期天气预报中心第五代再分析资料(European Centre for Medium-range Weather Forecasts fifth reanalysis data,ERA5),计算北半球极区低平流层100 hPa在全时段(1980-2019年)和两个分时段(1980-1999年、2000-2019年)各月温度增量、动力加热、非绝热加热和对流加热项(W项)的气候平均值,进而讨论涡动热通量近似理论成立的最佳参考纬度。结果表明,新导出的W项使得极区累积的动力和非绝热加热项之和与温度增量项之间的误差在冬春季减少了一半。在100 hPa上,W项随月份和纬度变化,尤其在冬春季节对温度变化贡献明显,由此得到涡动热通量近似成立的最佳参考纬度应该在W项的零等值线附近。进一步验证表明参考纬度可以取在50°N。

涡发生器安装位置对风力机翼型流场影响的数值研究

采用数值模拟的方式对带/不带涡发生器的翼型流场进行计算,并与相应的试验数据进行对比,验证数值计算方法的可靠性。在此基础上,对3种不同弦向位置涡发生器对翼型气动特性的影响进行计算与分析。结果表明,3种安装位置的涡发生器均可有效推迟失速攻角及提高最大升力系数,但由于位置不同,产生的诱导涡的强度有较大差别,并对速度型线产生较大影响,最终导致翼型气动特性上的差异。在3种弦向位置中,20%弦向位置可取得较好的流动控制效果。

不同结构联箱内涡量场及流量不均匀性分析

在不同入口速度下,采用Realizable k-εRNG湍流模型对两种不同来流结构的联箱进行数值模拟,并对涡量分布进行研究。在涡量数据的基础上,通过计算得出涡通量的大小对不同速度下不同结构联箱内流动产生的漩涡进行研究;并采用最大流量不均幅值和综合流量不均幅值定量地对直管来流和弯管来流联箱进行评价。结果表明,在不同工况下,直管来流的流动更为复杂,联箱内部存在大量的漩涡,流体有旋流动强度更剧烈;当入口速度为0.6 m/s时,直管来流的流量不均幅值明显高于弯管来流,此时的流量分配不均匀程度相差最大。

矩形通道内纵向涡发生器布置方式对流动传热的影响

对矩形通道内非对称布置矩形纵向涡发生器进行了数值模拟研究,得出了Re在500-2 000范围内非对称布置纵向涡发生器对空气的流动和换热特性的影响规律.结果表明：非对称布置纵向涡发生器比对称布置纵向涡发生器的Nu数仅减少了4%-6%,而阻力因子f减少了11%-12%,减阻效果非常明显.非对称布置纵向涡发生器的综合换热性能j/f比对称布置方式增加了5%-20%,表明非对称布置纵向涡发生器的综合换热性能更好.

冬小麦农田二氧化碳通量及其影响因素分析

以冬小麦农田为研究对象,利用涡度相关通量测量系统,测定了CO2通量及其影响因素。结果表明:冬小麦CO2通量存在明显的日、季变化,各生育时期CO2通量日变化均呈倒"U"型,CO2通量瞬时最高值和累积值在灌浆前期达到最大,抽穗期次之,返青期最低。潜热通量、显热通量、净辐射、光合有效辐射均与CO2通量呈极显著正相关。潜热通量与CO2通量的相关系数在0.920～0.955之间,苗期、拔节期和抽穗期相关性较高,灌浆期较低;显热通量与CO2通量的相关系数在0.801～0.953之间,拔节期相关性最高,苗期次之,抽穗期和灌浆期较低;净辐射与CO2通量的相关系数在0.879～0.967之间,苗期、拔节期和抽穗期较高,灌浆期较低;光合有效辐射与CO2通量的相关系数在0.910～0.953之间,冬小麦生育前期和后期光合有效辐射对CO2通量的影响小于生育中期。灌溉在一定程度上可以提高CO2通量。

中国陆地生态系统通量观测站点空间代表性

涡度相关技术是测定大气与陆地生态系统之间CO2交换、水分和能量通量最直接的方法,可用于研究土壤、植被与大气间的CO2交换及其调控机制。收集了11个影响净碳交换量的主要变量信息,包括气象因素、土壤因素和地形因素的非生物因子、实际植被状态以及植被生产力,采用多元地理变量空间聚类分析方法,绘制出不同聚类数(25、50、75、85、100、150和200类)的通量生态区。结合中国现有通量观测站点的空间分布格局,与新生成的通量生态区和已有的自然地理区划进行对比分析,发现由于中国地形复杂,生态系统类型多样,现有85个涡度相关通量观测站点仅能刻画部分中国生态系统类型的净碳交换量时空特征,通量生态区划分为100—150类比较合适。考虑到涡度相关通量观测运行成本,通量站点可增加至150个,从而使得优化后的通量观测网络能够代表中国主要类型的生态系统,并且有利于通量观测数据与遥感资料的有效结合,提高碳水通量观测从站点扩展到区域尺度的精度,从而更好地检验过程机理模型的模拟结果。

瞬变天气涡旋对北大西洋涛动的增强效应

使用NCEP/NCAR再分析资料计算了冬季北大西洋瞬变涡旋活动强度与北大西洋涛动(NAO)逐日指数的时间序列,结果发现:当涡旋活动强度出现峰值后会伴随NAO模态增强现象;而随着NAO的增强,涡旋能量回落。为了判断是否涡流相互作用将天气尺度的能量转换为低频尺度的能量,使用瞬变涡度通量来研究涡度与能量的传输。通过分析瞬变涡旋与低频环流随时间的演变,发现瞬变涡旋可以激发出低频异常,其对涡度的输送可以加强低频异常,使得NAO指数增强。由于涡旋与低频流以及涡度通量均随时间变化,不一定总能达到平衡,因此从方程稳定性解的角度来分析在足够长的时段各种随机涡旋对于激发类似NAO模态的响应所起到的综合作用,结果显示瞬变涡旋使得稳定性解更接近于NAO模态。

北半球中高纬地区冬季大气臭氧与极涡强度关系

为全面了解冬季北半球中高纬度地区臭氧与同期北极极涡强度变化的相关关系,利用1979年1月至2011年12月欧洲中心再分析资料,选取了4个关键区(北极、东亚、北美和西欧),采用相关分析和E-P通量计算方法,分析了两者之间的相关关系并进行了机制研究。结果表明:(1)冬季北极平流层臭氧总量与极涡强度的负相关关系较好;(2)当极涡强(弱)年,极圈内和外围的北美部分地区臭氧总量显著减少(增加);(3)极涡强度弱时,上传到平流层的涡动热通量强,北半球中高纬地区E-P通量散度辐合增强,剩余环流加强,将导致该地区得到低纬高浓度臭氧的补充而使得臭氧含量增多;(4)1979-2011年上传到中高纬平流层的波动通量增加,造成极区温度增加,进而抑制非均相反应发生而使得极区臭氧含量增加。

风冷无油涡旋空气压缩机涡盘温度场数值计算

涡盘温度场是变形计算的基础,为了进行温度场的有限元计算,通过压缩区域的划分,把动态的空气压缩过程转换为静态的热通量边界条件,由冷却风测量结果计算得到冷却风换热系数边界条件。假设涡齿温度在展角整个范围线性分布,动、定盘涡齿平均温差为0℃,对涡盘温度场进行了初次计算,在温度场初次计算结果与定盘温度测量值对比以及涡齿几何特点分析的基础上,以涡齿温度线性起始角、动、定盘压缩区域平均温差为调整参数,热通量计算时的动、定盘涡齿温度条件和有限元温度场计算结果误差介于±0.2℃为目标,进行热通量和温度场的迭代计算,得到了与热通量计算时涡齿温度条件、定盘温度测量结果相符的涡盘温度场。

涡强化扁管管片式散热器换热特性

以空气为介质,在Re=600～2 100范围内采用数值模拟方法对带涡产生器的扁管管片式散热器的换热性能进行了研究.结果表明截面平均数与涡通量具有相同的变化趋势,截面涡通量可以作为一个有效的衡量换热能力的物理量;相邻两排涡产生器产生的涡会发生干涉,进而影响散热器换热能力;涡通量峰值的大小与交错系数有关,交错系数值较小时涡通量峰值较大.

近30a来北半球对流层大气月均环流的涡动减弱现象

利用1980—2009年NCEP/NCAR月平均再分析资料,研究了在全球变暖背景下北半球对流层大气涡动减弱现象。结果表明:北半球涡度拟能30a来整体呈减弱趋势,在北太平洋地区和极地减弱尤为显著,12.5～50°N为影响北半球大气涡动变化的关键区域。由于对流层200hPa以下大气的增暖,特别是中高纬地区显著增暖,减弱了经向温度梯度,使得副热带西风急流的强度亦呈减弱趋势。这与涡度拟能的变化有显著的正相关关系。分析了北半球正压Rossby波动诊断量E和热量经向涡动通量的变化,表明中纬度波能传播在不同地区有不同趋势,而热量的经向涡动输送与涡度拟能的变化也呈现显著的正相关关系,减弱明显。研究结果对深刻认识大气环流变化规律和理解全球变暖的可能影响具有重要意义。

夏季青藏高原加热和大尺度流场的热力适应

使用1986～1995年7月逐日NCEP/NCAR再分析资料,利用位涡方程进行了盛夏季节大气环流场对于青藏高原热源强迫适应调整的诊断分析.揭示了夏季高原上空低层气旋式及高层反气旋式环流结构稳定维持的动力学机理.结果表明高原加热作用造成的低层正涡源是低层气旋式环流得以稳定维持的重要原因.而边界层摩擦产生的负位涡是平衡正位涡的主要因素.加热还在高原上空形成负位涡,侧边界位涡通量收支的分析表明,西边界和南边界有净的正位涡向外输送,但小于东边界和北边界的负位涡向外输出,高原上空大气因而成为影响盛夏大气环流的负涡源.这也是青藏高原上空强大而稳定的反气旋环流得以维持的重要因素.

中国东部夏季风雨带向北推进与条件对称不稳定的关系研究

利用1981~2010年欧洲中期天气预报中心(ECMWF)ERA-interim再分析资料和中国741站日降水资料,分析了中国东部夏季风雨季期间,条件对称不稳定(CSI)与季风雨带季节性向北推进的关系。结果表明,逐月强降水距平场显示了雨带强降水中心自华南(4~6月)先北跳到江淮(5~7月),再到华北(7~8月)的季节性进程,特别是7~8月强降水距平场具有'北多南少'分布特征,与对应的平均雨量场相比,其表征雨带季节性北跳现象更显著。与雨带强降水中心季节性变化一致,大气负湿位涡通量中心亦先在华南停滞(4~6月)、然后移到江淮(5~7月),最后到达华北(7~8月)。在垂直方向上,CSI区4、5及9月主要在925~600 hPa,而6~8月抬升到700~600 hPa,CSI区也很好地表征了夏季风北进加强、南撤减弱以及所伴随的雨带变化趋势。在春末夏初,夏季风建立初期的华南、江淮雨季集中期,热成风(垂直风切变)作用对倾斜对流有效位能(SCAPE)的贡献占绝对优势,盛夏的华北雨季集中期则相反,浮力作用项(CAPE)占主要作用;同时,热成风作用项的季节分布与强降水中心季节变化一致,但浮力作用项却没有这种变化关系。条件性湿位涡通量指数(CMF index)可指示雨带强降水异常区。

基于CFD的底部上翘角度对直管式出水流道水流性能的影响研究

为优化直管式出水流道的设计型式,以通吕运河大型低扬程泵站为例,建立几何比尺为11的三维泵装置模型,选用六面体结构化网格划分计算域,并进行全流道定常数值计算,探究了不同底部上翘角度对直管式出水流道水流性能的影响。结果表明,底部水平时,直管式出水流道水流性能一般,对内流流动的调整作用不明显;随着底部上翘角度的增大,出水流道水力性能呈先优后劣的变化趋势,存在水力性能最优的阈值角度,为1.5°;当底部上翘角度为阈值角度时,出水流道前段的涡通量降幅明显,后段流速均匀度最高。不同的底部上翘角度对直管式出水流道的水流性能有着较大影响,采用合适的底部上翘角度能够提高出水流道的水力性能,增强对水流的调整作用。研究成果为直管式出水流道的水力设计提供了一定的参考。

南海中北部秋季低空偏东急流分布特征及其形成的机制

借助Biot-Savart定律和二维涡度方程以及美国国家环境预报中心的数据资料,分析了海陆分布的下垫面热力差异与南海中北部低空急流发生和发展的关系。分析结果表明:南海中北部的低空急流由秋季出现在海陆交界处的偏东强风带南移加强而致,最大风速层出现在925 h Pa附近,其形成与海陆热力差异增大有关。进入秋季后,由于太阳辐射的季节变化及北下冷空气的双重作用,东亚大陆近地层的温度下降迅速,而南海洋面温度变化极小,南北温差加剧。两地近地层温度的相对变化,加大了大气上升和下沉运动,使得东亚大陆负相对涡度及南海地区的正相对涡度均得以增强。由Biot-Savart定律可知,东亚大陆和南海地区之间相对涡度通量的加大必将于南海中北部对流层低层诱导出强的辐合风速,形成带状偏东风急流。由于南海南部的涡通量大于东亚大陆地区,因此南海南部高温正涡中心所诱导出的水平速度是构成南海中北部低空急流的最主要分量,而来自东亚大陆低温负涡中心的贡献居次。

北太平洋风暴轴“深冬抑制”现象的能量分析

采用欧洲中期天气预报中心逐日再分析资料(ERA-40),从局地能量变化方程出发,通过分析北太平洋风暴轴区域对流层不同层次局地能量的季节演变过程,对风暴轴区域各能量项在"深冬抑制"现象中的作用进行了深入探讨。结果表明,天气尺度扰动动能的季节变化可以很好地反映北太平洋风暴轴的"深冬抑制"现象,并且该现象在对流层上层最为显著,其发生概率约为80%,其中20世纪70年代中后期到80年代前期抑制最强。从同期各能量项的变化来看,扰动动能的变化主要受斜压能量转换项、涡动非地转位势通量的散度项和正压能量转换项的影响。在深冬季节,由于消耗扰动动能的正压能量转换项虽有些微弱减少从而使得扰动动能有所增加,但为风暴轴提供扰动动能的斜压能量转换项和涡动非地转位势通量的散度项减少的幅度却更大,因而总的效果是扰动动能大为减小,这可能是造成北太平洋风暴轴"深冬抑制"现象的直接原因。