基于液晶器件的不同阶混合阶庞加莱球上任意矢量涡旋光束的随意产生与切换

通常用混合阶庞加莱球的方法描述任意矢量涡旋光束,该方法可以使其偏振与相位演化的物理过程变得更加直观。目前,人们常用空间光调制器、超表面与螺旋相位板的组合、激光谐振腔等来产生矢量涡旋光束。然而,这些方法所产生的光束通常只限于特定的偏振态,且具有低损伤阈值、低转换效率和大结构尺寸等缺点,并且这些方法通常只能实现同一混合阶庞加莱球上的适量涡旋光束的产生与切换。本文提出了一种利用电控可调液晶q板和波片通过纯电控手段来实现两个不同阶混合阶庞加莱球上任意矢量涡旋光束的随意产生与切换。通过理论和实验对其结果进行验证,与预期仿真结果基本保持一致。此方法具有良好的电可控性、集成性好、转换效率高等优点,并且可以为结构化光束的应用提供基本的光学系统支持。

β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理机制 I.涡旋Rossby波的相速度

使用纬向基流下横波型扰动的Boussinesq近似方程组,分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动发生不稳定时,大尺度背景流场在垂直方向上的各种分布特征。在大气层结比较稳定的情况下,如果基本气流在低层和高层较大(有可能存在低空急流和高空急流),此时产生的β中尺度不稳定扰动相对于基流向东传播,甚至于快速向东传播。基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用。如果考虑基流的二次切变,可以得到涡旋Rossby波的相速度表达式,涡旋Rossby波相对于基本气流是单向传播的。涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速二次切变,亦即基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀所致。涡旋Rossby波的相速度与纬向波数也有关,它的能量是频散的,其在纬向x方向也存在群速度。在基本流场的风速存在二次切变时,横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby重力波的不稳定;而在基本流场的风速仅仅存在线性切变,不存在二次切变时,横波型扰动的不稳定则是重力惯性波的不稳定。

涡旋Rossby波传播的不同特征

用一个柱坐标系涡度正压方程的半谱模式 ,实施了 4组试验 ,研究了不同初始扰动涡旋分布条件下 ,涡旋 Rossby波的传播特征问题。结果指出 :正值、负值相间的沿方向角二波分布的初始场 ,与只有正值涡旋的初始场相比 ,其后涡旋 Rossby波的传播有明显的差别 ,即前者向内传播的涡量比后者衰减得快 ,而且前者是单峰传播 。

地形对涡旋Rossby波影响的研究

用一个高分辨率的准地转正压模式,分析了中尺度理想地形面上空涡旋Rossby波(VRW)的传播问题。指出,地形对VRW的传播速度,台风中心位置及台风内区的非对称结构均构成影响。据此,提出了地形涡旋Rossby波的新概念。与无地形试验相比,南(北)坡地形条件下,台风中心向偏西南(东北)方向移动。南坡、北坡地形VRW引起的台风内区非对称结构的特征正好相反,形成了两类截然不同的内区非对称结构。

搅拌反应器气液两相流混合过程的涡旋效应数值模拟

为研究气液两相搅拌釜桨叶对釜内流动结构及气液混合性能的影响,本文以直叶片和推进叶片为研究对象,采用ICEM软件对搅拌釜流场进行六面体结构网格划分,基于SST-DDES湍流模型及欧拉-欧拉多相流模型对搅拌釜内部流场进行三维非定常计算,获得两种桨叶下搅拌釜内部涡结构及其演化过程,并分析搅拌釜内瞬态气相分布和瞬时流场的分布规律。研究结果表明:由于叶片旋转而产生的涡有撕裂、合并、衰减和耗散的演化过程;直叶片相较于推进叶片,其涡耗散速度较快,涡产生到消失的周期较短;由于叶片结构不同,主流的运动方向也随之改变,直叶片沿径向分布,推进叶片沿轴向分布。前者在釜内形成上下两层循环区,不利于气相扩散。后者在釜内形成一个大循环区,加剧釜内流动循环,造成后者的气相扩散能力大于前者。比较两者T0.95分布,推进叶片要小于直叶片,推进叶片搅拌釜T0.95近似为直叶片搅拌釜T0.95的50%。

台风“云娜”中的涡旋Rossby波研究

运用非静力平衡中尺度模式WRF(V2.03),对2004年14号台风“云娜”在登陆后产生强降水的过程进行了42h模拟,并对螺旋云雨带的涡度场结构进行了分析。分析结果表明,WRF能较好地模拟出台风在陆地上的移动路径,及其产生的台风暴雨的螺旋状分布。台风螺旋云雨带的形成与维持,可以用涡旋Rossby波理论来解释:可以通过改变局地相对涡度径向梯度分布,从而沿台风径向激发出“局地涡旋Rossby波”。

台风螺旋雨带——涡旋Rossby波

台风中的螺旋云雨带是由多种探测手段被观测到的现象 ,是为大家所共识的不争事实。但是 ,对它的形成、维持的理论解释 ,虽有多种学说 ,一直以来人们都倾向于重力惯性波说。而重力惯性波说有一个致命的弱点 ,即波的相速理论值为 10 1m/s量级 ,它要比螺旋云雨带实测移速只有 10 0 m/s几乎大一个量级。于是从前几年开始 ,人们又回到 30多年前提出的涡旋 Rossby波说那里去寻找合适的解释。经典的Rossby波是 β =(df/dy)作用的大尺度波动 ,而适用于台风中螺旋云雨带的涡旋———Rossby波乃是 f平面 (β =0 )上的中尺度波动。那末 ,对这两类尺度不同和成波机理不同的波动 ,何以均冠予Rossby波一词 ?本文试图从动力学等价原理上 ,对此作统一联系的说明。其结果是 :台风基本气流的涡度 ζ随径向 (r)变化的梯度d ζdr=1rr(r vλ) ,在动力学上等价于科氏参数 f随纬度变化的梯度即β=df/dy ;或者说它们在绝对涡度守恒的前提下 。

非线性涡旋Rossby波的演变特征

利用多重尺度摄动法,推导出非线性涡旋Rossby波波包的演变方程是非线性Schr d inger方程。对该非线性Schr d inger方程的周期波动解及其稳定性进行了研究,得到了有关稳定和不稳定的判据。数值计算表明:非线性涡旋Rossby波的相速值为100m/s量级,这和台风中的螺旋雨带实测移速的量级是一致的,可以从涡旋Rossby波说中较好地解释台风中的螺旋雨带的形成和维持。

两种类型中尺度涡旋Rossby波的相速度及其物理机制

本文使用正压浅水方程组以及纬向切变基流下二维中尺度横波型扰动的Bouss-inesq近似方程组,分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动的波动传播物理过程。研究结果表明,中尺度涡旋Rossby波划分为两种类型。由于纬向基本气流的方向的二阶水平切变或者基本气流的垂直涡度在南北方向的变化(β*因子)所导致的涡旋Rossby波称之为第一类涡旋Rossby波(正压涡旋Rossby波),它产生的根本原因是β*因子的作用。这种第一类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0是单向传播的,其传播方向则与β*因子的正负符号有关。基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用。如果考虑基流的二次垂直切变时,可以得到第二类涡旋Rossby波(斜压涡旋Rossby波)的相速度表达式,第二类涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速-U的二次垂直切变或者基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀性(亦即β**因子)。第二类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0也是单向传播的,其相速度与纬向波数k有关,能量是频散的,在纬向x方向存在群速度。在基本流场的风速-U存在二次垂直切变时,横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby-重力波的不稳定;而当基本流场的风速-U仅仅存在线性切变,不存在二次垂直切变时,此时根本不存在涡旋Rossby波,横波型扰动的不稳定则仅仅是重力惯性波的不稳定。最后利用横波型扰动的总涡度守恒方程对第二类涡旋Rossby波形成的物理机制做出了解释。

岛屿地形对涡旋Rossby波传播影响的研究

首先在静止基本状态下,从线性f平面极坐标浅水方程出发,利用WKB方法求解方程,在理论上给出了一类由于地形βeff作用引起的Rosbby波的传播特征解,此类Rossby波类似于涡旋Rossby波(VRW),其中地形βeff作用与台风涡旋基态的垂直相对涡度径向梯度作用相似,此分析解可帮助理解地形对涡旋Rossby波的影响作用.在此基础上,利用一个高分辨率的浅水模式具体讨论了圆形、类似于台湾岛屿椭圆地形对VRW传播以及结构特征变化的影响.结果表明,地形对VRW的传播速度,台风内区的非对称结构的变化均构成影响.当台风位于地形东南一定距离处,与无地形相比,涡量向内向外传播均增强,扰动能量增大,涡量环绕地形中心沿等高线顺时针方向移动,局域风速增大,并形成尺度为几十公里左右的强局域风速区,平均风速减小.

涡旋Rossby波传播和台风切向风速变化的数值研究

设计了一个高分辨率 f 平面准地转正压涡度方程半谱模式 ,用以研究非线性对台风切向风速变化 ,以及不同初始异常条件下台风环流内涡旋 Rossby波传播和台风切向风速变化特征。6类 (14组 )试验的数值结果表明 :非线性使台风切向风速的增强减弱 ,可能使最大风速半径收缩。初始扰动中心位置对涡旋 Rossby波传播和台风切向风速变化的影响明显。扰动中心在最大风速半径附近时 ,台风最大切向风速增强最多 ;异常中心在台风外区时 ,使最大切向风速减小。初始异常尺度 (范围 )减小对台风最大切向风速变化的影响减弱。双涡分布条件下 。

北太平洋涡旋对基于细尺度参数化的海洋内部混合的影响

基于Vector Geometry方法对2016-2018年的高度计资料进行涡旋识别,并使用细尺度参数化方法和Argo数据计算了涡旋附近的海洋内部扩散率,分析了北太平洋的涡旋对海洋内部混合的影响。结果显示,研究区域在涡旋影响下的平均扩散率比无涡旋影响下的值大6%,并且气旋涡增强了600-1200m深度的混合,对600-900m深度的混合影响最大,可达18%;反气旋涡明显增强了300-900m深度的混合,但对900-1200m深度的混合没有明显影响。随着与涡旋中心距离的增大,涡旋外围混合扩散率缓慢减小,涡旋内部混合扩散率变化不明显,此结果与2014年3-10月在24°-36°N、132°-152°E区域的一个个例分析结果一致。此外,随着涡旋强度的增大,海洋内部混合明显增强。统计结果表明,在研究区域,90%的扩散率值在10^-5.5-10^-4m^2/s范围内。

利用涡旋混合器对棉花基因组DNA提取方法的优化及SSR技术应用

为获得80个陆海杂交高代自交系材料的幼嫩叶片的高纯度、高完整性的DNA,应用涡旋混合器对传统的棉花基因组DNA的提取过程进行改进。结果显示:获得的棉花基因组DNA具有高完整性、高纯度的特性,SSR分子标记结果明显。利用涡旋混合器能有效提高棉花基因组DNA完整性及纯度,为后续开展棉花分子育种奠定了基础。

开缝式SK型静态混合器与可调涡旋静态混合器的性能数值优化

对开缝式SK型和可调涡旋2种新型静态混合器的结构参数进行数值模拟优化,并与传统SK型静态混合器进行比较。结果表明,间隙直径比为0.58的开缝式SK型静态混合器为最优结构;叶片圆心角为120°,曲率半径为400mm的三叶片涡旋发生器组成的可调涡旋静态混合器性能最优;可调涡旋静态混合器与开缝式SK型静态混合器的混合效果均优于传统SK型静态混合器,且可调涡旋静态混合器的混合速度更快。

涡旋混合辅助超声提取-高效液相色谱法同时测定水基胶中的苯系物和邻苯二甲酸酯类增塑剂

采用涡旋混合辅助超声提取样品的前处理方式，应用高效液相色谱法同时测定水基胶中的苯系物和5种邻苯二甲酸酯类增塑剂．基于样品基质的属性，采用漩涡混合器混合样品，使样品均匀分散于萃取溶剂中，再使用超声萃取的方式提取目标物．研究了不同萃取溶剂、提取方式及其条件对目标物检测结果的影响．优选了色谱分析所用的流动相、检测波长、流量和进样量等条件．在优化条件下，5种苯系物和5种邻苯二甲酸酯类增塑剂的峰面积与其质量浓度呈线性关系，相关系数（R^2）都大于0．997，回收率分别在91．9％～111．4％和88．3％～121．4％之间，相对标准偏差RSD分别在1．41％-2．80％和1．24％-2．94％之之间．检出限分别在0．3～0．6mg／kg和0．2—0．3mg／kg之间．研究表明方法简便、耗溶剂量少、准确，与现行标准方法具有较好的吻合性，适合于同时测定水基胶中的苯系物和5种邻苯二甲酸酯类增塑剂．

涡旋混合辅助超声萃取-气相色谱/质谱联用内标法快速测定化妆品中的二甲苯麝香

建立了涡旋混合辅助超声萃取-气相色谱/质谱联用法测定化妆品中二甲苯麝香含量的分析方法。采用漩涡混合器混合样品,使样品基质均匀分散于萃取溶剂中,再利用超声波提取目标物。探讨了萃取溶剂种类、提取方式等因素对目标物萃取效率的影响;并甄选出合适的内标物,确定了较佳的特征离子及其丰度比。在优化的试验条件下,目标物二甲苯麝香质量浓度在0.1～4μg/mL范围内具有良好的线性关系,相关系数(R)为0.9991,平均回收率为88.44%～105.94%,相对标准偏差(RSD)为2.05%～4.67%,检出限为0.44mg/kg,定量限为1.45mg/kg。结果表明该方法简便、快速、灵敏、准确,适合于化妆品中的二甲苯麝香含量的测定。

混合对流绕圆柱涡旋脱落及对传热影响的数值研究

利用本文作者改进的关于流函数—涡量方程的数值求解方法 ,模拟了混合对流绕圆柱涡旋脱落及对传热的影响 ,得到了雷诺数 Re与格拉肖夫数 Gr双重作用下圆柱尾迹涡型转变的规律 ,并数值研究了存在小扰动的自由来流、圆柱旋转 (γ)及浮力与来流成不同角度 (δ)等因素对旋涡脱落、对传热的影响。除 Re数外 ,δ,Gr数对尾涡流型及传热产生较大影响 。

Rossby涡旋的旋转浅水实验模拟及模型方程解

在具有自由表面的旋转抛物面浅水实验系统上进行了可重复的系列模拟实验 ,在旋转随动坐标系中拍摄的照片和功率谱分析表明 ,确有大尺度持续存在的涡旋产生、漂移与演化 .受多次实验的启发 ,从流体动力学基本方程出发 ,在一定的实验条件下提出一个半经验模型 ,近似求出了 Rossby孤立波涡旋解 .

Rossby参数β在涡旋Rossby波中的作用

利用尺度分析方法得到Rossby参数β在强涡旋中有着不可忽略的作用。在无基本气流径向切变的涡旋系统中,在Rossby参数β的作用下有涡旋Rossby波出现。由于涡旋Rossby波存在,从而破坏了涡旋系统的轴对称性,表现出非轴对称特征。在考虑切向基本气流的涡度径向变化时,涡旋Rossby波的频散关系同时包含了切向基本气流涡度径向切变项和β项的作用。一般情况下涡旋Rossby波在切向基本气流涡度径向切变的作用下有向外频散能量的特性,而β项的作用随方位角θ而变化,使涡旋能量频散不对称。

台风“彩虹”(2015)高分辨率数值模拟及涡旋Rossby波特征分析

采用中尺度数值预报模式对2015年22号台风"彩虹"进行高分辨率的数值模拟,成功地模拟出台风"彩虹"的移动路径、强度和降水分布,尤其是在台风登陆前后,模拟结果与实况比较接近.以此为基础,利用模式输出资料,分析台风的动力、热力精细结构和台风雨带的宏观特征.眼墙处具有低层径向入流、高层径向出流的动力配置.在眼墙附近,同时存在切向风速高值区、垂直上升区、正温度距平区,并随高度向外侧倾斜,雷达回波较强,对流系统比较深厚.次级雨带、主雨带和远距离雨带的雷达回波相对较弱,对流系统垂直厚度略小.再利用尺度分离方法,得到涡旋Rossby波的扰动场资料,进一步分析涡旋Rossby波的特征.1波、2波同时朝切向和径向传播,1波的振幅明显大于2波.研究结果表明,1波、2波正涡度扰动对应强雷达回波,存在强对流活动.降水区上空的垂直涡度扰动呈上正下负的配置,与水平散度扰动的垂直配置相似时,会加强低层辐合和高层辐散,有很强的垂直上升运动,有利于对流系统发展,降水增强.1波、2波扰动的动力配置影响了对流系统的发展,并对降水强度和分布有一定的诊断作用.