基于ISMM方法的非均匀磁化等离子体湍流中电磁波传播特性研究

由于传统散射矩阵法(scattering matrix method, SMM)在计算过程中会产生奇异矩阵,本文基于改进的SMM (improved SMM, ISMM)结合一维磁化等离子体湍流模型,计算了等离子体湍流介质对电磁波在不同入射角下的反射系数和透射系数,同时分析了电磁波在非均匀磁化等离子体中的传播特性。结果表明,湍流的出现极大地影响了等离子体鞘套中电子的运动规律,使其运动过程中能量衰减增多,因此其在0~35 GHz的透射系数增大;另一方面外部磁场的增大,对左旋圆极化波与右旋圆极化波的传播特性影响相反,这是因为在左旋情况下,左旋圆极化波的旋转方向正好与电子的旋转方向相同,右旋圆极化波相反;随着入射角度的增大,相当于电磁波在等离子体湍流中的传播距离增大,导致更多的电磁波能量被吸收;此外,考虑非均匀磁化情况后,电磁波在0~35 GHz频段内的右旋圆极化的透射系数更大。这些结果为研究电磁波在非均匀磁化等离子体湍流介质的传播特性提供了理论依据。

反应性射流中湍流/非湍流界面附近标量输运特性

湍流/非湍流界面(turbulent/non-turbulent interface,T/NTI)层分隔开湍流区和非湍流区,研究T/NTI有利于加深对湍流区和非湍流区之间传质的理解。通过开展射流和环境流间发生二级非平衡基元反应(A+B→R)流场的数值模拟,研究了该流场中各组分在T/NTI附近的化学反应和标量输运特性。研究结果表明:反应性射流流场中对流项在湍流区域的标量输运中占主导地位。射流的上游处化学反应较为剧烈且随着流向逐渐减弱,在T/NTI层内及其附近均存在显著的化学反应,而下游T/NTI层附近的化学反应主要发生在远离T/NTI层的湍流核心区。在T/NTI层附近,反应物A和生成物R的输运机制呈现类似但相反的趋势。在无旋边界附近,反应物A和生成物R的输运主要由扩散和对流作用共同影响,但其浓度几乎不随时间发生变化。在T/NTI层内,反应物B的输运主要由对流作用影响,T/NTI附近的流动阻碍化学反应后所余较少的反应物B向无旋边界输运。

非Kolmogorov湍流中激光光斑漂移的统计模拟

激光光束在湍流大气传输过程中光斑位置发生漂移,从而影响目标跟踪、激光通信等应用。本文采用功率谱反演法和低频补偿法构建等效结构常数的非Kolmogorov湍流随机相位屏,模拟高斯光束在非Kolmogorov湍流传输过程,对产生的光斑漂移量进行研究,提出了基于贝叶斯定理的光斑漂移估计模型。实验结果表明:漂移量估计精度随湍流强度和传输距离的增大而减小。光斑后验模型相较于移动平均模型的平均绝对误差小,估计精度较高。

非标准挡板搅拌槽内湍流流场的数值模拟

采用分离涡模型研究了非标准挡板搅拌槽内的流体力学特性,利用滑移网格法模拟了搅拌桨与挡板之间的相对运动。在验证了模拟方法有效性的基础上,分析了挡板布置方式对搅拌槽内的流场、速度与湍动能分布以及功率消耗的影响。结果表明,挡板布置方式对搅拌槽内的流场结构影响较小,但会改变桨叶射流的方向;对速度大小有一定的影响,完全非对称布置时的速度分布最均匀;搅拌功率随挡板非对称程度的增大略有提高,标准挡板的功率消耗与夹角为20°时的功率消耗非常接近,而且标准挡板时的湍动能最大,优于非标准挡板布置方式。

从湍流经典理论到大气湍流非平衡态热力学理论

湍流是日常生活中一种普遍的自然现象,也是经典物理学仍未完全解决的难题。湍流更是大气运动的最基本特征。本文系统地回顾了大气湍流经典理论发展简史,进一步详细介绍了大气湍流非平衡态热力学理论。大气湍流非平衡态热力学理论在熵平衡方程中引入动力过程,进而统一推导出大气湍流输送的Fourier定律、Flick定律和Newton定律,证明了Dufour效应、Soret效应、可逆动力过程与热力不可逆湍流输送过程之间的交叉耦合效应,以及湍流强度定理。这些定律和定理中得到了观测的事实验证,同时它们的唯象系数也由观测资料所确定。湍流强度定理揭示,湍流发展的宏观原因是速度和温度的剪切效应,Reynolds湍流和Rayleigh-Bénard湍流共存于大气湍流中。热力过程和动力过程间耦合效应现象的发现突破了传统湍流输送理论,即Fourier定律、Flick定律和Newton定律的观点——一个宏观量的输送通量等价于这个宏观量的梯度湍流输送通量。热力和动力过程间的耦合原理认为,一个宏观量的输送通量包括这个量的梯度湍流输送通量和速度耦合输送通量两部分。因此,能量和物质的垂直输送通量除了相应物理量梯度造成的湍流输送外,还应包括垂直速度耦合效应,即辐散或辐合运动造成的耦合效应。在一个很宽的尺度范围内,地表面的空间特征是非均匀的。下垫面非均匀性造成的对流运动将引起大气的辐散或辐合运动。这可能是导致地表能量收支不平衡的重要原因之一。垂直速度对垂直湍流输送的交叉耦合效应为非均匀下垫面大气边界层理论的发展,并为克服地表能量收支不平衡问题及非均匀下垫面大气边界层参数化遇到的困难提供了可能的线索。

湍流非预混燃烧数值模拟的代数二阶矩模型

湍流燃烧数值模拟是研究燃烧的一种重要手段,采用的湍流燃烧模型是否恰当直接影响最终结果的准确性。在湍流燃烧中,化学反应速率不仅取决于当地的组分浓度和温度,而且与组分的湍流脉动也有密切关系。通过对湍流燃烧模型进行探讨,发现代数二阶矩模型(ASOM)能综合考虑湍流和反应动力学因素的影响,而且比其他复杂的模型简单。研究将组分混合速率对化学反应速率的影响在一个修正的代数二阶矩模型(RASOM)中进行考虑,更准确地计算出化学反应速率。为了验证模型的准确性,RASOM模型被应用到Sandia实验室测量的甲烷-空气非预混燃烧(Flame-D)的数值模拟中。模拟得到的结果与实验结果以及修正的涡破碎模型(EBU-A)和原ASOM模型的结果进行了对比,发现RASOM模型的效果较好。

大气边界层湍流的动力非平稳性的验证

首次用验证时间序列中是否存在动力非平稳性的一种简单图示方法———spacetime -index法来分析大气边界层湍流的动力平稳性特征.本文以取自淮河流域和威斯康星森林下垫面条件下的三维高精度风速和温度、湿度湍流脉动资料对大气边界层湍流的平稳性特征进行了分析.结果表明spacetime- index方法能有效地检验大气边界层湍流信号中是否存在动力平稳性.另外,均匀下垫面条件(水稻田)及复杂下垫面条件(森林)下的大气边界层湍流信号中几乎都存在动力非平稳性,大气湍流动力学非平稳性可能是边界层湍流信号相当普遍具有的一种特性.大气边界层湍流中的间歇性和相干结构使得其非平稳性图形的特征不同于一般时间序列非平稳性图形的“V”型特征;森林下垫面条件下的湍流信号比相对均匀下垫面(水稻田)下的湍流信号更有组织性,相干结构更强.

离心泵叶轮非设计工况下内部湍流流场的模拟

采用ANSYS CFX11.0软件、标准k-ε湍流模型及SST湍流模型封闭雷诺平均方程,对低比转速离心泵叶轮在非设计工况下内部流场进行了三维定常湍流数值模拟,获取了离心泵叶轮内部流场结构,此两种模型所计算出的内部流场图案与参考文献中的PIV试验结果以及大涡模拟(LES)的计算结果基本一致,获得了文献中出现的'交替失速'这一特殊的流动现象.此外,对不同直径处将本计算所得到的速度轮廓的形态与文献中的PIV及LES结果进行了比较,结果显示采用标准k-ε湍流模型及SST湍流模型能够对离心泵内部流动进行比较精确的模拟,但是在局部上与PIV试验结果有一定的偏差,并进行了初步分析,但仍需要对湍流模型进行进一步的探索和研究.

部分相干平顶光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离

给出了部分相干平顶光束通过非Kolmogorov湍流传输的湍流距离解析表达式,并研究了非Kolmogorov湍流的湍流广义指数、内尺度、外尺度和光束参数对部分相干平顶光束湍流距离的影响。研究表明：湍流距离随相干参数、束腰、外尺度（当湍流广义指数的取值为3.6~4.0时）的增大而减小;随光束阶数、内尺度的增大而增大;随湍流广义指数先减小后增大,且在湍流广义指数取3.11时存在极小值,即光束扩展的极大值。同时利用湍流广义指数及光束参数,具体比较了湍流距离与瑞利区间的大小,并指出光束参数及湍流广义指数决定了湍流是否在瑞利区间内就能对光束扩展构成明显的影响。

非均匀采样的功率谱反演大气湍流相位屏的快速模拟

对大气湍流功率谱非均匀采样可以有效改善传统功率谱反演法低频采样严重不足的缺陷,实现高精度的大气湍流相位屏的模拟.但采用的直接求和运算计算复杂度高,相位屏的模拟速度极慢.将非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)引入到大气湍流相位屏的模拟,可以实现相位屏的快速模拟.从随机过程的谱分解出发,将大气湍流相位随机过程表示为有限谐波分量叠加和的均方极限.通过一个高斯核函数的卷积,将非均匀分布的谐波复振幅映射到均匀网格空间,进而利用快速傅里叶变换,降低计算复杂度,加快大气湍流相位屏的模拟速度.以大气湍流的Kolmogorov谱为例,利用NUFFT仿真得到大气湍流相位屏,并对相位屏的模拟精度、模拟速度和误差进行统计分析.结果表明,NUFFT的引入可以实现快速、高精度的大气湍流相位屏的模拟.

部分相干贝塞尔高斯光束在非柯尔莫哥诺夫湍流中的传输特性

根据广义惠更斯一菲涅耳原理，推导出了部分相干贝塞尔高斯光束在非柯尔莫哥诺夫湍流中传输时平均光强和偏振度的解析表达式，研究了部分相干贝塞尔一高斯光束在非柯尔莫哥诺夫湍流模型下的光强分布特征和偏振度变化规律，同时分析了指数项、折射率结构常量、湍流内外尺度以及拓扑荷、光源相干性等对光束传输性质的影响．数值计算表明，随着传输距离的增加，部分相干贝塞尔高斯光束的光强会从空心分布逐渐演变为高斯分布，同时光束会有一定程度的展宽．而且，当指数项值越接近于3．1，折射率结构常量越大，外尺度越大或者内尺度越小时，光强分布的演变越为迅速，展宽现象也越明显；当拓扑荷越小或者相干长度越小时，光强分布的演变越迅速，但是二者对展宽现象的影响并不明显．另外，偏振度在近距离处会经历一段振荡及升降变化过程，当距离足够远时会趋于一个稳定值，且该值等于光源平面上的初始偏振度．偏振度变化的快慢程度受指数项、折射率结构常量、湍流内外尺度、拓扑荷和相干长度等因素的影响．

旋转离心叶轮内湍流的非结构化网格数值计算

给出了同位非结构化网格数值求解旋转离心叶轮内湍流流场的ＳＩＭＰＬＥ算法。网格划分采用改进的阵面推进法。控制方程采用通用的对流扩散方程并利用有限控制容积法离散。湍流模型采用标准的ｋ－ε模型。形成的代数方程组用带有预条件器的共轭梯度平方法（ＣＧＳ）求解。最后利用所给出的算法对一实验用的旋转离心叶轮进行计算。计算结果和实验数据基本相符，说明该算法合理，编程正确，可作为流场预测的理论工具。

非设计工况下离心叶轮内湍流场的LDV测量

利用激光多普勒测速仪(LDV)对后弯闭式离心叶轮内部气流在非设计工况下的流动进行了实验测量。对比描述了大于和小于设计流量时叶轮流道回转流面上主流速度的分布特点,径向流面上的速度矢量图更清晰地说明了不同进口条件导致流道内气流流动产生分离的位置、强度以及发展的差异。二次流矢量图表明流量的改变影响了离心力和哥氏力在流动中的作用,导致在垂直于主流方向引起截然不同的二次涡旋流动。

非Kolmogorov大气湍流对高斯阵列光束光强闪烁的影响

基于广义惠更斯-菲涅尔原理,采用Rytov方法推导了径向分布高斯阵列光束在非Kolmogorov湍流大气中传输时的光强闪烁指数表达式,分析了径向半径r0、光束个数N、广义指数α及传输距离L对轴上和离轴闪烁指数的影响。结果表明:轴上和离轴闪烁指数随着α的增加均先增大后减小,值得注意的是不同的r0光束的闪烁指数达到极大值所对应的α略有不同,轴上闪烁指数随着r0的增大达到极大值所对应的α呈减小趋势,而离轴闪烁指数随着r0的增大达到极大值所对应的α呈增大趋势;光轴附近各阵列光束的闪烁指数小于高斯光束的闪烁指数,随着px的增大阵列光束闪烁指数将大于高斯光束闪烁指数。当r0相同时N越大闪烁指数越小,当N相同时闪烁指数随r0的增大非单调变化,而是存在一个极小值。

光纤非相干合成光束在湍流大气中的传输实验研究

进行了六路100W量级光纤非相干合成光束在实际大气湍流中的传输实验,将六路光斑直径为9mm的单模光纤光束分别扩束,扩束后的光斑直径为90mm。基于倾斜镜的合束系统来控制各路光束的指向,在不同强度的湍流条件中,通过主镜口径为440mm的发射系统水平聚焦传输至470m处。倾斜控制系统闭环工作时,一倍衍射极限内的桶中功率占目标处总功率的比值是开环工作时的1.7倍左右,随着大气湍流的强度变弱,此比值变大。

非Kolmogorov大气湍流温度谱标度指数的测量与分析

阐述了非Kolmogorov湍流谱理论以及湍流谱标度指数的测量与计算方法。在近地面多个地点对大气湍流温度起伏进行了多次的实验观测,结果表明:实际大气湍流温度谱标度指数多数不等于-5/3,并且通常在-2到-1之间变化。分析了湍流温度谱标度指数与湍流发展程度的相关性,利用小波分析方法展现了不同湍流强度下湍流温度脉动能量在各尺度之间的分配状态,发现湍流温度谱标度指数的绝对值在一定程度上随湍流强度的增加而增大。

混流式水轮机三维非定常湍流计算

本文完成了混流式模型水轮机全流道的三维非定常湍流计算。以N S方程为基础 ,补充以湍流模型并通过有限体积对控制方程进行离散 ;数值求解采用SIMPLEC算法 ;分别对标准k ε湍流模型和重整化群 (RNG)k

不同湍流模型在旋流非接触搬运器仿真中的应用和对比

采用标准k-ε湍流模型,RNGk-ε湍流模型和雷诺应力(RSM)湍流模型,对旋流非接触搬运器进行数值仿真计算,得出3种模型的压力曲线、吸力曲线和流量值.通过计算结果与试验值对比得知,3种模型中RSM湍流模型的预报结果最为合理;RNGk-ε湍流模型的预报结果次之,在工程应用中该模型的误差可以接受;标准k-ε湍流模型的预报结果最差.因此,RSM湍流模型和RNGk-ε湍流模型可被用作搬运器研究的理论依据.

厄米-高斯光束在非Kolmogorov大气湍流中的传输性质

基于广义惠更斯-菲涅尔原理和非Kolmogorov(非K)谱,推导出了厄米-高斯光束在非K大气湍流中传输的束宽、角扩展以及M2因子的解析表达式.数值计算表明,在传输距离比较远(如z≥3km)时,厄米-高斯光束的束宽、角扩展和M2因子随广义指数参量α的增大而增加直到α=3.11时达到最大值后再随α的增大而减小;随湍流的内尺度l0的减小而增大;随外尺度L0的增加而增大(3.6<α<4).但是当广义指数参量α在3<α<3.6区间取值时,束宽和M2因子几乎不随外尺度的增加而变化.

非正交曲线坐标下三维弯曲河流湍流数学模型

本文在水平方向采用非正交曲线坐标,在垂直方向采用笛卡尔坐标系统,结合实际河床地形实行堵塞技术以实现对实际地形的模拟,在河床表面使用壁面函数法模拟河底阻力,在自由水面采用改进的“刚盖假定”方法,研究开发了非正交三维曲线坐标下的k-ε双方程湍流模型。通过实验室弯道对模型进行了验证,计算结果与实测值吻合较好,将模型应用于天然连续弯曲河流的流场计算,给出了4层流速矢量图和4个断面二次流矢量图。