大气光学湍流模式研究:C_(n)^(2)廓线模式

由于大气湍流的存在,当光束在大气中传播时会发生相位起伏、光强闪烁等一系列湍流效应现象,严重制约光电系统的性能,是造成天文观测困难的主要原因.大气折射率结构常数C_(n)^(2)廓线是评估大气湍流效应的重要参数.本文归纳了几种有代表性的C_n~2廓线模式,提出了修正的CLEAR I夜晚模式;分析了高美古、拉萨、大柴旦、茂名、荣成等5个实验点探空测量数据,给出了5个实验点算术平均拟合的C_(n)^(2)廓线公式;计算了各模式和测量数据在波长为0.5μm时的大气相干长度r0、视宁度εFWHM、等晕角θ0、相干时间τ0、等效高度h和等效风速V等大气光学参数以及各大气层C_(n)^(2)递减率和不同大气层湍流贡献百分比.重点对H-V(5/7)模式的存疑、C_(n)^(2)廓线模式采用的平均方法、低平流层C_(n)^(2)是否具有统一的递减率等问题进行讨论并给出答案.

大气光学湍流模式研究——方法和进展

分层是大气湍流特别是高空湍流显著特征.在某一固定高度真实光学湍流C_(n)^(2)值在平均值上有1—2个量级甚至更大的起伏.以观测数据建立的湍流廓线模式,是一个统计平均的结果.既不能代表某次实际大气湍流廓线的分层特征,也没有预报功能,不能完全满足光学工程需求.受限于计算机的容量和速度,无法通过DNS (direct numerical simulation)以及LES (large eddy simulation)求解Navier-Stokes方程来预报光学湍流,解决方案是通过中尺度天气数值预报模式MM5/WRF,预报出常规气象参数,再由湍流参数化方案计算出C_(n)^(2).本文介绍了近地面层、边界层和自由大气层C_(n)^(2)预报方法和研究成果,从湍流动能预报方程和温度脉动方差预报方程详细推导出Tatarski公式,归纳出该公式所隐含的物理意义和适用条件.重点介绍了神经网络预报C_(n)^(2)和C_(n)^(2)估算和预报方法在南极天文选址的最新研究进展.分析了以实验数据拟合的经验模式、建立在Kolmogorov湍流理论基础之上含有常规气象参数的参数模式、与中尺度气象模式有关的预报模式、基于数据驱动的神经网络方法等不同模式的特点和差异.强调Kolmogorov湍流理论是现有大气光学湍流参数模式的理论基础.

二甲醚/空气湍流分层燃烧的直接数值模拟与机理研究

针对内燃机条件下分层燃烧的情况,采用直接数值模拟方法,研究了温度分层对二甲醚(dimethyl ether,DME)/空气预混气湍流分层燃烧过程的影响机制.结果表明:与零维反应器内的均质自着火过程相比,湍流分层燃烧延长了整体燃烧过程的持续时间,平均释热率峰值明显降低;输运预算分析揭示了着火锋面的传播存在自燃波与爆燃波两种着火模式,随着温度分层程度的增大,爆燃模式逐渐增强,进而导致高温着火提前;化学爆炸模式分析明晰了燃料着火的演变过程,并且利用相关准则数准确揭示了控制低温与高温着火过程的关键变量与基元反应.研究结果对于DME均质压燃式内燃机的设计以及燃烧过程调控具有借鉴意义.

应用RNG k-ε湍流模式数值模拟90°弯曲槽道内的湍流流动

本文将Yakhot与Orszag提出的RNGk-ε湍流模式与壁面律相结合,应用于90°弯曲槽道湍流流动的数值模拟.计算在任意非正交曲线坐标系下进行.并采用非交错网格有限体积方法求解三维不可压N-S方程.文中给出了详细的计算结果,并与实验结果进行了比较,结果表明,RNG k-ε湍流模式能够有效地模拟有曲率影响的湍流流动.

RNG κ-ε模式在工程湍流数值计算中的应用

自Yakhot和Orszag提出RNG k-ε湍流模式以来,很多学者对其进行了修正和发展,并将其应用于某些实际湍流问题的数值模拟,取得了一些与实验近似一致的结果。本文主要从工程湍流计算的角度出发,结合作者的部分研究工作,对近年来RNG k-ε模式在湍流流动数值研究中的应用现状及进展情况进行了总结,指出了该模式存在的问题,并对其应用前景进行了展望。

用RNGK─ε模式数值模拟180°弯道内的湍流分离流动

将Ｙａｋｈｏｔ与Ｏｒｓｚａｇ新近提出的ＲＮＧＫ－ε湍流模式推广应用于１８０°强曲率弯道内的湍流分离流动的数值模拟，计算在任意曲线坐标下进行，并采用速度协变分量作为求解变量以保证计算的高度稳定性，控制方程的求解采用通常的控制容积法，文中给出了详细的数值计算结果，并与实验结果进行了比较，结果表明，ＲＮＧＫ－ε湍流模式能有效地模拟有强曲率影响的湍流分离流动。

用改进的RNG模式数值模拟湍流冲击射流流动

在Yakhot和Orszag提出的重正化群 (RNG)k -ε湍流模式的基础上 ,对模式系数Cμ 和近壁处理方法加以改进 ,并将其推广应用于湍流冲击射流的数值模拟 .将计算得到的平均速度分布和湍动能分布与标准k -ε模式的计算结果以及实验数据进行了比较 .结果表明 ,用改进的RNGk -ε模式得到的数值结果与标准k -ε模式的结果相比具有显著的提高 ,尤其对滞止区附近的湍动能分布预测结果与实验结果具有较好的一致性 .这是因为RNGk ε模式与改进的近壁处理方法相结合有效地降低了涡粘性的预测值 ,进而引起湍动能预测值的下降 .且计算中采用了Cμ 和Cε1的改进表达式 ,适当地考虑了流动中各向异性湍流和不平衡应变率影响的结果 .

湍流动能闭合方法在区域气候模式中的应用

利用湍流动能闭合方法改进了区域气候模式（ＲｅｇＣＭ２）中边界层的参数化过程，并用资料进行了数值试验。结果表明．采用该方法可以较好地描述边界层的物理过程，温度、位势高度、比湿等物理量场的模拟均有不同程度的改善，提高了边界层计算的精度。该工作还对模式中边界层高度的计算作了改进，使边界层高度的日变化及高度极值都更符合实际情况。

不同亚格子模式在后台阶湍流流动大涡模拟中的应用

本文用大涡模拟方法研究了湍流后台阶流场中的大涡演变过程,并在此基础上研究了目前大涡模拟中比较常用的六种亚格子模式。在相同的流动几何参数以及计算条件下,给出了不同亚格子模式下湍流流动瞬时压力场以及流场中瞬时粘性大小的分布,尤其给出了流场瞬时演变的大尺度涡结构。将六种亚格子模式从回流区长度、计算时间、计算结果的准确性和流场稳定性等不同角度进行了比较。为选取合适的亚格子模式深入研究湍流耗散机理奠定了基础。

船舶粘性流动计算中湍流模式应用的比较

针对六种不同的湍流模型,本文数值模拟了油轮SR196A的粘性绕流场,计算得到的阻力系数和桨盘面处流场和试验结果进行了比较。结果表明,SSTk-ω模型和试验结果符合较好,是目前硬件条件下比较适合船舶粘性流场数值计算的一种湍流模式,本文结果可以为复杂船型粘性流场计算中湍流模式的选取提供参考意见。

湍流转捩模式研究进展

以湍流模式理论为基础发展起来的湍流转捩模式是一种十分重要的转捩预测方法.本文对转捩模式的研究进行了回顾.首先,探讨了以低雷诺数湍流模式理论研究转捩问题的局限性,此类模式中,用来模拟黏性层次的阻尼函数经过修正之后,具有一定的转捩预测能力.但也有观点认为这只是一种数值上的巧合而已.其次,指出了考虑间歇性的模式所存在的问题.此类模式通过各种方式将间歇因子与湍流模式进行耦合,在一定程度上考虑了转捩的物理机制,可较好地模拟简单流动中的转捩过程.但其中所包含的非局部变量使其与现代CFD方法并不协调一致.接着,分析了完全由局部变量构造的新型转捩模式,其中涉及了关于非湍流脉动动能等转捩特征变量的新型输运方程.最后,对此领域的发展方向进行了预测.

潜艇操纵性水动力数值计算中湍流模式的比较与运用

湍流模式的选取对潜艇操纵性水动力数值计算精度有着重要影响,采用六种湍流模式计算了SUBOFF主艇体及主艇体加指挥室围壳两种模型在一定漂角范围内的潜艇操纵性水动力,并与试验值进行了比较,结果表明SSTk-ω模型更为适合潜艇操纵性水动力计算。在此基础上对SUBOFF全附体模型在一定漂角和攻角范围内的艇体水动力进行预报计算,并对该计算方法应用于潜艇操纵性水动力预报计算的计算精度与适用范围进行了探讨。

k-ω湍流模式在船舶粘性流场计算中的应用

湍流模式的选取对精确预报船舶艉部流场至关重要,本文利用SSTk-ω湍流模型计算了SR196A油船模型的粘性绕流场,船艉三个截面上的轴向速度等值线和横向速度矢量的计算结果和文献提供的试验值进行了对比,结果符合得很好,同时计算得到的阻力系数也与试验值进行了比较,结果同样令人满意。表明SSTk-ω湍流模型在船舶粘性流场的计算中有较强的应用能力。

基于天气数值预报模式预报高空光学湍流

介绍了天气数值预报模式的运行流程、模式安装、模拟参数设置等。结合光学湍流的参数化方案,预报了大气光学湍流强度廓线,并与探空气球实测数据对比验证。结果表明,预报的大气光学湍流强度廓线符合高空光学湍流的一般特征和变化规律,但廓线的形状与实测存在一定的差异,并分析产生差异的原因。分析表明,提高预报精度需要改进高空湍流外尺度模式。

基于NOAA模式的典型地区大气湍流高度分布

研究大气传输问题中的大气湍流主要是研究湍流所造成的折射率随机变化规律。大气折射率结构常数Cn2是表示大气光学湍流强度的一个重要参数。主要利用温度脉动探空仪对大气折射率结构常数Cn2在合肥和北京两个典型地区进行了实地探测及计算分析,同时根据两个典型地区相应气象站点常规气象探空资料统计分析数据,通过NOAA模式得到大气湍流高度分布廓线,并与HV模式廓线和实际测量数据进行对比验证分析,为其他不同典型地区大气湍流模式分布特性的研究提供方法验证和参考依据。

一种基于湍流模式的转捩预测方法

通过对平板边界层进行计算分析,基于湍流模式来预测流动转捩是可行的,但预测出的转捩位置不准,比实际情况靠前。因此,本文从转捩流动的物理特征出发对湍流模式中的混合尺度作出了修正,提出了一种考虑间歇函数影响的k-ωSST两方程湍流模式。采用该模式来对平板湍流边界层和不同攻角下的NACA0012翼型绕流进行了转捩预测,计算结果表明,改进后的模式对转捩位置具有较好的预测能力。

典型地区大气光学湍流测量与模式研究

在东南沿海地区、合肥地区和西北干旱地区进行了常规气象参数和光学湍流的测量.从地域气候上分析三个实验点所具有的典型特征.分析了不同下垫面对近地面光学湍流强度的影响,提出了近地面和高空光学湍流估算方法,并探讨了光学湍流的预报模式.Bulk方法可用于估算陆地和海面上的C_n^2.通过对输入参数进行适当调整,近地面湍流预报模式估算结果和实际测量结果在量级和变化趋势上较为一致.可以用常规气象参数估算光学湍流廓线,合肥上空的光学湍流可以用Hufnagel模式进行拟合.

高超声速流动湍流模式评估

选取了超声速二维膨胀-压缩拐角和高超声速双椭球绕流作为基准流动,考察了几种当前CFD(Computational Fluid Dynamics)工程应用较流行的湍流模式:BL(Baldwin-Lomax)模式、SA(Spalart-Allmaras)模式、k-ω模式以及SST(Shear-Stress Transport)模式,通过数值计算结果和实验结果的对比及分析,对有关的湍流模式进行了评估,得到一些有意义的结论,并指出受流动可压缩效应的影响,计算高超声速湍流壁面热流时要对现有的湍流模式进行相应的可压缩修正。

东亚地区晴空湍流未来变化趋势预估:基于CORDEX-WRF模式降尺度

利用耦合模式比较计划(CMIP5)的全球环流模式CNRM-CM5、GFDL-ESM2M、EC-EARTH和MPI-ESM-LR分别驱动区域气候模式(RCM)WRF,在国际间区域气候降尺度试验(CORDEX)框架下对东亚地区当代和RCP 8.5情景下未来气候进行高分辨率模拟.通过计算21个晴空湍流指数研究了东亚地区2041—2060年三个高度层上(200 hPa、250 hPa和300 hPa)五种强度湍流(轻度、轻-中度、中度、中-重度和重度)的季节变化特征.首先检验RCM对1981—2000年气候的模拟能力,结果显示,模式能够较好再现东亚地区高空变量气候平均态空间分布特征,同时对晴空湍流指数分布特征亦具有较好模拟能力.晴空湍流未来变化趋势预估结果显示,东亚地区所有季节中均存在湍流强度越强、湍流频率增幅越大的特征.各强度湍流增幅冬季最大,其次为春季和秋季,夏季最小.从不同高度对比来看,200 hPa和250 hPa各强度湍流增幅普遍大于300 hPa,且在夏季和秋季增幅随高度降低而减小,春季和冬季则250 hPa上增幅最大,300 hPa上增幅最小.就中国不同子区域而言,纬度越高的区域湍流频率增幅越大,且北方地区各高度上还存在增幅“东高西低”的分布特征,南方地区则在250 hPa和300 hPa上为“西高东低”分布特征.未来东亚中纬度地区垂直风切变作用增强可能是引起晴空湍流增多的重要原因之一.

工程湍流模式的研究开发及其应用

为了对自然界中普遍存在的湍流运动的机理和规律进行研究 ,使之在工程实践中得到应用 ,工程湍流模式是非常实用而且有效的方法 ,本文总结了倪浩清提出的几种工程湍流模式 ,以及这些模式在冷却水工程、环境工程和海洋工程研究领域的应用 .在此基础上 ,给出了一个全新的深度平均代数应力模型 ,经实际模拟计算 ,新模型所预报的污染物扩散、稀释和自净范围 ,比各向同性深度平均的k