天津城市边界层湍流统计特征

利用2008年2月1～28日在天津气象塔上观测的超声风、温资料和常规风、温及湿梯度资料,计算了天津城市边界层无量纲湍流速度方差、湍流温度方差、感热通量、动量通量和湍流动能。结果表明,在不稳定层结条件下,40m高度上无量纲湍流速度方差和湍流温度方差遵循莫宁-奥布克霍夫相似理论,在220m高度上只有垂直方向上的湍流速度方差遵循莫宁-奥布克霍夫相似规律,其他变量均不遵循这一规律。城市复杂下垫面特征主要影响风速的水平分量方差,对风速垂直分量方差影响不大。湍流通量和湍能均具有明显的日变化特征。

青藏高原东部土壤冻融过程中近地层湍流统计特征分析

利用玛曲黄河源区气候与环境综合观测研究站的湍流资料,分析了青藏高原东部玛曲地区土壤冻融过程中近地层湍流统计特征的差异。结果表明,冻融过程中不同阶段近地层湍流输送特征表现出一定的差异性;各个阶段不稳定层结下无量纲化的风速分量脉动方差与稳定度符合1/3次方律,近中性条件下无量纲化的风速分量脉动方差近似为常数,水平方向上的风速分量方差随地表动力学粗糙度减小而呈现逐渐增大的趋势,垂直方向上的速度脉动方差变化不大,说明下垫面的物理特性对水平速度分量方差的影响比垂直方向明显;冻融过程中不稳定层结下无量纲化的温度、湿度和二氧化碳脉动方差与稳定度符合-1/3次方律,温度和湿度的拟合系数表现为冻结状态下的值小,而冻结前和融化后的值大。

旋涡结构的湍流统计理论

旋涡结构的湍流统计理论是已故周培源教授在20世纪50年代率先提出来的.经过他和他的学生近半个世纪的努力,己经形成具有自身特色的湍流统计理论.在纪念周培源教授诞辰100周年的时候,特贡献本文作为对一代宗师的怀念.本文是这个理论的一个总结和概括,其中包括:作为湍流元的旋涡结构解的寻找,可能存在的不同旋涡结构解的类别和叠加,统计平均方法的选取和操作,统计平均物理量的规律的探索等.

超声速湍流边界层湍流统计与湍流结构分析

可压缩边界层转捩问题与湍流问题一直是制约高超声速飞行器发展的关键基础问题,也是近年来流体力学领域研究的热点问题.采用直接数值模拟方法,获得了空间发展的Ma=2.25超声速湍流边界层流场,通过对湍流边界层的发展状态进行评估,得出有效的Reynolds数Reθ范围约为2600~4600.对壁面摩阻系数开展了分解,获得了各分量的占比,对充分发展的湍流边界层进行1阶和高阶统计分析,包括形状因子、壁面律、平坦因子与偏斜因子、Reynolds应力、脉动涡量等,得到了剪切Reynolds数与动量Reynolds数之间的关系式,分析了湍流边界层壁面律的分层特性,发现湍流的间歇特性主要分布在y^(+)<30的区域,并且法向速度脉动的间歇性远高于另外两者,3个方向上的Reynolds应力分布和涡量分布都存在较大差异.通过两点相关性分析和Lagrange涡结构,对近壁区湍流结构进行了分析,包括流向平面和展向平面,发现流向脉动速度的相关区域流向尺度较长,呈现狭长的特性,并且流向平面的相关系数与壁面存在一定的夹角;而在边界层外层,流向速度脉动相关区域的流向尺度变短而展向尺度增加,呈现宽胖型.研究结果进一步加深了对超声速湍流边界层的认识,为下一步湍流边界层的流动控制奠定了基础.

关于湍流统计模式局限性的讨论

湍流是极为普遍的流动现象,湍流统计模式是目前预测复杂湍流的唯一工具.本文讨论了Navier Stokes方程与湍流的关系,分析了湍流统计模式的局限性,认为一个好的湍流统计模式应当包含尽可能多的湍流脉动结构信息.

用中尺度模式输出污染气象的拉格朗日湍流统计量

大气对污染物的稀释和扩散能力随气象条件的改变而发生巨大的变化,而各种湍流特征参数能反映出大气对污染物的扩散能力,因而计算这些参数对污染物浓度的预报有很大的帮助.以往,各种湍流特征参数都是通过局地测量获得的,而要获得较大尺度的扩散背景场,单靠单点测量是做不到的.试图利用MM5模式中的中尺度模式输出量来计算一些湍流特征参数,这些参数可以代表网格上的平均值.选择了MM5中的Mellor＿Yamadalevel2.5的边界层参数化方案,用输出的q2(湍流动能的两倍),再通过解一个代数方程组,求得另外的各种二阶湍流矩量u2、v2、w2.然后利用这些二阶矩量来计算拉格朗日积分时间尺度、自相关系数,尝试用中尺度模式来输出这些量.经计算结果的分析表明,模式输出的这些拉格朗日湍流统计量是合理的,因而利用这种方法来计算拉格朗日湍流统计量是可行的,进一步,这种方法可应用于空气污染扩散的预报中.

南京夏季城郊湍流统计特性及湍流通量对比分析

利用2010年南京夏季城市热岛三维结构试验中的湍流观测资料,对南京市委党校和南京信息工程大学观测场2个观测点的湍流统计量和湍流通量进行了对比分析。结果表明:城市平均风速大于郊区;城郊2地的湍流强度都呈现出Ix>Iy>Iz的趋势,水平方向上的湍强城郊相差不大,而垂直方向上,郊区的Iz要明显低于城市;城、郊的风速归一化标准差σu/u*、σv/u*、σw/u*都符合MoninObukhov相似理论的"1/3"定律,城市的垂直风速归一化标准差大于郊区,而水平方向上的风速归一化标准差则明显小于其他下垫面;郊区风速归一化标准差与常熟农田的拟合结果较为相似,而城市风速归一化标准差与长白山森林的拟合结果更为接近;夏季城市以感热通量为主,而郊区湍流能量的输送以潜热通量为主,且城市的湍流热通量受太阳辐射的影响更大。

黄河上游玛曲草原湍流统计特征分析

湍流运动是大气最基本的运动特征,是大气能量物质交换的主要方式。利用玛曲气候与环境综合观测研究站2006年12月至2007年1月的湍流观测资料,分析了湍流方差特征、湍流动能及湍流强度等湍流统计特征,结果表明:无量纲化的风速脉动σu/u*,σv/u*,σw/u*与稳定度z/L符合1/3次方规律;大气处于中性层结时,在近中性条件下,无量纲化风速方差σu/u*,σv/u*,σw/u*分别趋于常数A=3.42,B=3.34,C=1.02;无因次化温度脉动方差σT/|T*|和湿度脉动方差σq/|q*|与稳定度z/L的变化都比较离散,基本上不能拟合出-1/3次方规律。湍流动能随风速增大而增大,白天比夜间明显,相比之下,夜间湍流动能较小,且随风速的增大比较缓慢;湍流动能随稳定的变化是非常明显的,在稳定度近中性时湍流动能取得最大值。湍流强度Iu,Iv,Iw随风速的增大而减小,当风速在0 m/s<V<2 m/s范围内时,湍流强度变化最明显,当V>5 m/s时,湍流强度变化很小。

锥体效应对超音速湍流边界层统计特性的影响

通过直接数值模拟,计算了空间模式下,来流马赫数为2.5,半锥角为5°,零攻角的绝热钝锥湍流边界层,研究了湍流的统计特性,并把结果与超音速平板湍流边界层和马赫数为6的高超音速钝锥湍流边界层的结果进行了比较,重点定量地考察了锥体效应对边界层湍流统计特性的影响.研究发现,锥体效应对平均温度剖面以及压缩性的影响是显著的;而其它统计量,比如速度壁面律、雷诺应力的分布和湍动能各项的贡献等,受锥体效应的影响很小.

展向喷嘴湍流横向射流大涡模拟及其统计分析

采用大涡模拟方法数值模拟了展向椭圆喷嘴的湍流横向射流,对其大尺度结构的时空演化和湍流脉动速度场的时间序列分析、频谱分析、PDF分析以及时、空截面上的统计平均特性进行分析。结果表明,在射流出口附近的下游核心区中速度脉动剧烈,显现出明显的湍流特征.除了三维涡环脱落、扭曲、变形、摆动所对应频率之外,还存在很宽的湍流基频,它与在喷嘴出口附近产生的三维涡环的时空演化过程密切相关.由于展向椭圆喷嘴的湍流横向射流中的三维涡环快速脱落和强相互作用导致射流尾迹中的强湍流脉动,展向椭圆喷嘴湍流横向射流的PDF空间演化特征结构复杂。在射流核心区的湍流偏应力变化平缓,其统计平均值分布接近左右对称。展向椭圆喷嘴的湍流横向射流脉动速度场具有极为复杂的统计行为,与流向椭圆喷嘴相比具有更好的掺混能力。

地面气象要素湍流特性初步统计分析

对各气象要素高速采样湍流数据进行滤波去倾处理,得到随机分量,再利用湍流理论计算出各气象要素的湍流统计参数,并加以分析。

表面活性剂减阻溶液湍流流动研究进展

与聚合物添加剂相比,表面活性剂具有寿命长,不受机械力和高温影响发生降解的特点,目前被认为是最具有适用价值的减阻添加剂.针对表面活性剂湍流减阻机理,尽管已经开展了大量的实验研究、理论分析和数值模拟,但仍处于探索阶段,尚未定论.文中对目前国内外有关表面活性剂减阻溶液湍流流动的研究如平均速度、湍流强度、雷诺应力和相关系数等湍流统计量以及取得的成果进行了归纳和总结.目前普遍认为阻力减小是由流动垂直方向的湍流强度受抑和脉动速度分量解耦导致雷诺应力极大降低引起的.分析了目前研究存在的问题,对今后继续开展研究提出了自己的观点.

高速列车近尾流区湍流涡旋的数值计算及动力学讨论

主要针对缩尺比例1:30的高速动车组空气动力学模型的近尾流区域流场进行数值模拟,分析讨论了湍动能和湍流能量的产生,得到以下结论:对应于各展向位置的湍动能沿流向的变化规律与近尾流区涡旋结构携带能量的展向外移现象有关;在尾车鼻端附近,湍流涡旋具有显著的湍动能,并且各方向上的能量分量具有相同的量级,反映出湍流涡旋是高度三维的流动结构;靠近尾车鼻端的近尾流区湍流涡旋具有较强的从平均流动中提取能量的能力,并且结果表明,来自于车体底面和侧面的剪切流动沿垂向分别在一定空间范围内发挥重要的影响作用;大涡特征尺度沿流向增大,其中较小的涡旋对湍流能量的产生有主要贡献,同时,由于受到列车侧面较厚剪切层的影响,对湍流能量有贡献的涡旋所对应的积分尺度范围增大,从而使位于尾车鼻端附近的涡流能够在更大的流向范围内获取用于维持湍流尾流的能量.

基于大涡模拟的空气绕流微细管流动特性研究

在1000≤Re≤7000范围内,采用大涡模拟对空气绕流1mm微细管进行了数值研究,通过升阻力特性和时均雷诺应力分布等湍流统计特性着重研究微细管表面受力特性以及极近尾流区流动特性。结果表明,在获取空气绕流微细管湍流统计特性时,统计70个涡脱周期的时间足以获得可靠的时均统计结果;随着临界雷诺数的增大,时均阻力系数和微细管表面压差阻力变化趋势相同先减小后增大,表面摩擦阻力减小,流动分离提前;此外极近尾流区湍流脉动强度在雷诺数增大到5000后,继续增加雷诺数对极近尾流区湍流发展无明显促进作用。

瑞利-伯纳德热湍流中的多湍流态现象

热湍流现象是自然界以及生产生活中很普遍的现象,它源于温差导致的密度差引起的自然对流。瑞利-伯纳德(Rayleigh-Bénard,RB)热湍流系统是从众多自然现象、工程实际中抽象出来的研究热湍流的经典流体力学模型系统。在过去的几十年间,瑞利-伯纳德热湍流系统被广泛用来研究湍流热输运、流动结构演化等特性。最近的研究发现即使在相同的控制参数下,RB热湍流系统中的大尺度流动存在不同的湍流态(结构),且不同的湍流态对应着不同的热输运效率。因此,理解不同的湍流态(结构)的产生机制有助于调控系统的热输运效率。本文就RB热湍流系统中的多湍流态现象,着重评述近年来的若干研究新进展,并对今后的研究工作进行展望。

二维沟槽粗糙槽道内的湍流特性研究

采用激光多普勒测速技术对光滑和粗糙槽道湍流特性进行了实验研究。粗糙元为二维横向V型沟槽,沟槽深度为0.8mm,沟槽间距为6.4mm,对应的槽道半高度与沟槽深度比为12.5。基于中线时均速度和槽道半高度的流动雷诺数范围为2740～17400。实验测量了包括时均速度、湍流强度、雷诺切应力和速度脉动偏斜因子和平坦因子在内的湍流统计量,结果表明沟槽型粗糙度对湍流的影响不仅局限于边界层内区,而是延伸到整个边界层范围。粗糙壁面上的粗糙度函数随雷诺数的增大而增大,时均亏损速度也较光滑壁面高。沟槽抑制了内区的流向湍流强度,同时增大了外区的湍流强度。粗糙壁面上的雷诺切应力高于光滑壁面,且与湍流强度一样表现出对雷诺数的依赖性。尽管沟槽型粗糙度对流向平坦因子影响不大,但对流向偏斜因子有显著影响。

展向旋转平板Couette湍流中的多态现象

展向旋转平板Couette湍流(Spanwise rotating plane Couette flow,RPCF)是旋转壁湍流的标模问题之一,在过去的几十年里,被广泛用来研究旋转对壁湍流的统计和流动结构的影响。近些年,作者及其合作者就该问题开展了一系列直接数值模拟研究工作。该研究不仅发现了旋转在低旋转数和高旋转数时对流动结构和统计的不同影响,还首次在RPCF中发现了多湍流态现象:即在相同的控制参数下,流动可以处在两种不同的湍流态上,这两种不同的湍流态的流动结构和湍流统计差别显著。还发现该多态现象可以在很大的旋转数范围里存在。进一步分析大尺度二次流在不同态的能量传输中的作用,发现在二次流较弱的流态下,二次流起的作用相对较小,能量很大一部分直接从平均流传到剩余场;而当二次流较强时,二次流起到一个能量传输纽带作用。该分析也从侧面验证了大尺度结构在多态现象中占据重要地位的猜想。

周培源湍流理论的实验研究——纪念周培源先生诞辰一百二十周年

周培源先生于1952年在北京大学创建了我国第一个力学专业,联合力学所、清华大学和北京航空航天大学创建了我国第一座以混凝土薄壳结构为主体的大型低速风洞,亲自用爱因斯坦符号讲授理论力学课,在湍流课上形象地介绍均匀各向同性湍流以及湍流的声产生特征[1]。周培源先生[2-3]第一个得到了对N-S方程在统计意义上的准确解,其湍流理论覆盖了从各向同性湍流到剪切湍流和极高湍流强度的极限湍流,给出了这些湍流场随标志性参数的变化,形成了具有鲜明特色的湍流统计理论。

湍流减阻多级转换特性及湍流特性分析

为了研究在槽道湍流中加入少量高分子聚合物产生减阻后存在一种多级转换现象,将近年来在减阻领域提出的对拉伸高分子自洽的线性等效黏度模型应用于Navier-Stokes方程,并使用雷诺应力方程模型研究高分子湍流减阻效果.数值模拟得出了各减阻程度下的减阻率,为了找出不同减阻区之间的转变点,与文献中直接数值模拟结果进行了对比,验证了模型在该问题上的可行性.对各减阻阶段上常见的湍流特征值如时均速度、雷诺应力、黏性应力、湍流强度进行数值上的比较,并与文献中的试验研究以及直接数值模拟结果进行对比,找出其变化规律,得出湍流在各减阻阶段上流动稳定性方面的特点,以期深化对湍流减阻机理的认识,为湍流流动控制提供参考.

金塔绿洲湍流资料的质量控制研究

利用"绿洲系统能量与水分循环过程观测试验"2005年绿洲、戈壁点的观测资料,分析了三种坐标旋转方案对摩擦速度、感热、潜热以及非定常性检验与湍流积分统计性检验的影响,对两种非定常检验方法进行了比较,并对通量资料进行了总体的质量控制和分级。结果表明:三种坐标旋转方案对摩擦速度、感热、潜热通量以及非定常性检验与湍流积分统计性检验的影响存在着一定的差异,这与坐标旋转方案本身有着密不可分的关系。两种非定常性检验方法存在一定的不一致性,这种不一致性的产生不仅与两种NS检验方法有关,也可能与湍流测定成分随时间、天气条件或测定点相对于气象条件的变化以及与观测仪器本身有关。归一化标准差随稳定度的变化基本满足"1/3次方规律"或"—1/3次方规律",但坐标旋转方案不同,归一化标准差与稳定度的拟合关系不同,其差异在于三种坐标旋转方案对平均垂直速度的处理方法以及平均水平风的选择上。整体分级后各级资料所占百分比要明显低于任一个单独检验的各级资料所占百分比,非理想的观测值多出现在夜间以及日出日落前后。