分数维空间中湍流的功率谱分析

根据湍流在统计上的自相似性,推导了分数维空间中湍流功率谱的表达式,探讨了湍流随机性与规则性之间的联系.在此基础上研究了通过分形维数求取湍流功率谱的新方法,并对2英寸水流道中的湍流进行了能谱分析,与已有实验结果的比较证明了该法的可行性和优越性.

台风“白鹿”影响下泉州湾近地脉动风速功率谱及其拟合参数分析

国内高速铁路网不断完善,沿海铁路海湾地形的风场特性亟待研究。基于福厦客专—泉州湾跨海大桥桥址处40 m风塔,实测获得了201911台风“白鹿”影响下的泉州湾近地风场实测数据。基于经验模态分解(EMD)技术得到了台风全过程时变平均风及相应脉动风样本,采用四参数风速功率谱模型拟合了台风纵向、横向及竖向功率谱,在此基础上对拟合参数进行了平均风速影响分析及概率密度分析。建立了38 m高度处台风演化功率谱并与同风速范围的相关规范建议风谱进行了对比。研究表明:四参数风谱模型能较好适用于实测台风风谱,各拟合参数随平均风速变化并不显著,拟合参数B随A呈指数型增长;核密度估计方法能较好拟合风谱参数的概率密度分布,拟合谱中的A参数概率密度近似对数正态分布,而B,C及α参数则与正态分布接近;测点接近7级风圈时所测脉动风湍流动能较位于风圈内时强;规范风谱并不能很好地反映“白鹿”台风引起的跨海大桥主梁高度处湍流功率谱密度(PSD)特征。

利奇马台风风场与湍流特征分析

由于台风的风速大、湍流活跃,台风过境时会对房屋、桥梁等建筑物造成严重危害.利用2019年8月8日至11日利奇马台风过境浙江时的近地层湍流资料,对利奇马台风的风速、风向、攻角、湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度、湍流功率谱特征进行了分析.结果表明:(1)在台风前期和大风期,随着台风接近,慈溪观测场附近的风速急剧增大,流场主要为偏东气流;在台风后期,随着台风远离观测场,风速迅速减小,风向逐渐由偏东风转为西南风.(2)在台风前期和大风期,攻角、湍流强度和阵风因子都比较小;而在台风后期,攻角、湍流强度和阵风因子都明显增大,同时湍流积分尺度突然变小,说明了利奇马台风内部流场非常复杂,不同区域会出现不同的中小尺度结构,表现出不同的湍流特征.(3)在台风前期和大风期,惯性子区湍流能谱基本满足-2/3律,而大风期的湍流能谱与-2/3律偏离比较大,同时由于台风内部存在大量的中小尺度系统,在大尺度和湍流尺度涡旋之间,顺风方向的湍流能量贡献仍然很大.

各向异性海洋湍流下三种涡旋光束的信道容量

海洋湍流和光源参数对涡旋光束的信道容量有十分重要的影响。本文根据Rytov近似理论,利用有限外尺度且不稳定分层的各向异性海洋湍流功率谱,并引入xy平面上的两个各向异性因子来研究完美涡旋(PV)光束、拉盖尔高斯(LG)光束和贝塞尔高斯(BG)光束在海洋湍流下的信道容量,数值模拟了束腰半径、接收孔径直径和海洋湍流参数等对三种光束信道容量的影响。数值结果表明:当传输距离在30~70 m时,较小束腰半径(小于4 mm)的PV或者LG光束可获得比BG光束更大的信道容量;但较大束腰半径(大于12 mm)的PV或者LG光束的信道容量却大于BG光束。此外,当束腰半径小于2 mm时,PV光束的信道容量要大于LG和BG光束,表明采用窄束腰半径(小于2 mm)的PV光束相比LG和BG光束可以增大光通信系统的信道容量。本文的研究结果对海洋环境中光通信光源参数的选择具有重要意义。

丘陵地区深切峡谷风特性现场实测研究

根据测风塔和当地气象站数据,对江底河大桥桥址处深切峡谷的风场特性进行研究.基于数据统计分析得到桥址处风场的平均风速、风向、湍流强度、湍流积分尺度和湍流的功率谱密度函数.结果表明:该桥所在的深切峡谷地形对风向有锁定作用、对风速有加速作用、并且对各个风向下的湍流特性有明显的影响;深切峡谷顺风向湍流强度与平均速度的关系用反比例型函数拟合,拟合效果良好且高风速下接近规范值;竖风向湍流强度明显高于规范推算值.顺风向实测风谱与Kaimal谱相差较大而与von Karman谱吻合较好;竖风向实测风谱明显大于Panofsky风谱而与von Karman谱比较接近.横风向实测风谱与Panofsky谱、von Karman谱都比较接近.

资料同化中二维特征长度随模式分辨率变化的分析研究

特征长度是资料同化中的重要参量,决定了观测信息在空间的传递特征,而特征长度随模式水平分辨率增减而变化的特点与背景误差湍流功率谱分布特点密切相关。通过对不同来源实际资料计算获得的特征长度数据分析和对理想数据数值试验分析,结果表明随着模式分辨率的提高,特征长度会按照二次根的规律递减。特征长度的这种变化由背景误差湍流功率谱,特别是与次天气尺度(20-60波)到中尺度波(大于60波)的湍流功率谱斜率特征决定。当湍流功率谱斜率从-5/3变化到-4时,特征长度随模式分辨率变化的敏感性降低。作者估计出的温度场的实际背景误差湍流功率谱斜率在次天气尺度到中尺度大约在-2.8左右。对特征长度的估计除传统方法外,可以根据背景误差的湍流功率谱斜率特征来更方便地给出,该方法可作为传统方法的补充来匹配应用。

非科尔莫戈罗夫湍流下望远镜的分辨力分析

为分析不同大气湍流条件下望远镜的分辨力,计算了非科尔莫戈罗夫(Kolmogorov)湍流条件下望远镜的分辨力。通过非科尔莫戈罗夫湍流条件下大气的相位结构函数推出望远镜长曝光和短曝光传递函数,进而推导了望远镜的分辨力函数,并得到望远镜口径无穷大时的长曝光极限分辨力与湍流功率谱指数β之间的关系,最后由望远镜的极限分辨力函数推导了望远镜的归一化分辨力函数。结果表明,β越小望远镜的极限分辨力越高,β越大望远镜的极限分辨力越低;不同的β,望远镜的短曝光和长曝光的最佳分辨力所对应的D/r0也不同。

有限外尺度对大气湍流统计特征测量的影响

导出了有限外尺度影响下的相位结构函数和孔径平均的斜率相关函数的表达式 ,结果表明有限的大气外尺度对大气湍流统计特征的测量有很大的影响 ,尤其对大尺寸的望远镜和子孔径更是如此。基于科尔莫戈罗夫模型的大气相位结构函数和相干长度仅仅是本文推导结果的近似。对结果的分析表明 ,测量得到的对大气湍流科尔莫戈罗夫模型的偏离有可能是大气外尺度的影响 。