采用大涡PIV方法研究搅拌槽内湍流动能耗散率

在槽径为0.476m的六直叶涡轮桨搅拌槽内,采用粒子图像测速仪(PIV)对桨叶区的流场进行了实验研究,得到了桨叶区的平均流速和湍流动能(k)分布,采用大涡PIV方法对湍流动能耗散率(ε)分布进行了估算,计算了ε与k的相关系数.结果表明大涡PIV方法能有效地估算ε分布;桨叶区的射流向上倾斜,两尾涡分布于射流两侧,射流的倾角和两尾涡中心间距随射流向壁面运动而变化,射流倾角先增大再减小,相位角θ=40o时达到最大值13.2o,两尾涡中心间距先减小再增大,θ=20o时达到最小值0.0387(用槽径T无因次化);湍流动能和湍流动能耗散率峰值均位于尾涡靠近射流的区域;湍流动能和湍流动能耗散率的平均相关系数为0.363,射流核心区相关系数小于周边区域.

一次引发强降水的东北冷涡的演变机理及能量特征研究

采用NCEP CFS 0.5°×0.5°的再分析资料,中国气象局常规地面观测资料和FY-2E卫星TBB资料对2013年7月上旬的一次引发强降水过程的东北冷涡典型个例进行了深入分析和诊断,研究表明:(1)本例冷涡的发展期是其降水和对流活动的最活跃时期,其对应的最小TBB在-60℃以下,最强6 h降水可达124 mm,南海、黄海和日本海是冷涡降水的主要水汽源地。(2)本例东北冷涡是一个深厚的斜压涡旋系统,其最强斜压区和动能大值区主要位于涡旋外围;冷涡的冷心结构主要位于对流层中高层和对流层低层。(3)涡度收支表明,与对流活动密切相关的垂直涡度平流是本次冷涡产生的主导因子;涡度垂直输送和辐合作用是冷涡快速发展的主导因子;而辐散作用则最终导致了冷涡的消亡。(4)能量收支表明,旋转风动能制造是冷涡生成过程中动能的主要产生方式,而冷涡发展期,旋转风动能输送是冷涡动能维持的主导因子。

一次中亚低涡中期过程的能量学特征

中亚低涡是中期时间尺度(4天以上)的对流层深厚切断低压系统,也是造成新疆暴雨(雪)、持续低温天气的重要影响系统之一,对其形成、维持和减弱的能量特征还不十分清楚。利用美国国家环境预报中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)2.5°×2.5°逐日再分析资料和有限区域能量循环方程,对1996年7月10—20日造成新疆区域两次暴雨过程的中亚低涡系统进行分析,以揭示低涡持续活动11天的能量循环和转换特征。分析结果表明,中亚低涡活动具有明显的阶段性能量学特征。这次低涡发展和减弱过程处于斜压不稳定状态,扰动动能来源于扰动位能的转换和区域开放边界扰动动能的输入,且两者作用相当,它们使得低涡快速发展,同时区域内部非绝热加热制造的一部分扰动有效位能向外输出,在减弱期扰动有效位能向外输出大于扰动位能的转换和区域开放边界扰动动能的输入,因此低涡逐渐减弱。低涡成熟期处于正压不稳定状态,系统内部的能量转换很小,扰动动能来自于外界扰动位能输入,支出项为向开放边界的扰动动能输出。低涡过程各个时期纬向平均动能向扰动动能的转换都很小,即正压不稳定造成的能量转换较弱。低涡活动过程中,在对流层中、高层扰动动能很强,表明中亚低涡是主要在对流层中、高层活动的天气尺度系统,低涡内部的能量转换及其与外界的能量输送主要发生在中、高层,扰动位能和扰动动能的变化很好地反映低涡的强度变化和发展阶段,且能量的垂直输送对低涡系统的发展也有一定促进作用。

一次引发重庆大暴雨的西南低涡动力诊断分析

利用2011年6月16日-18日期间逐6h、0.5°×0.5°NCEP/NCAR的GFS再分析资料,对一次引发重庆大暴雨的西南低涡进行动力诊断分析,结果表明:1)散度项的配置与平流项基本相反,散度项对低层西南低涡的发展和维持起主导作用,扭转项对西南低涡的形成也有重要贡献,平流项和摩擦耗散项是西南低涡涡度消耗的主要项,不利于西南低涡的生成发展.2)西南低涡发展维持的涡动动能主要源于水平通量散度项和涡动动能制造项,摩擦耗散项和垂直通量散度项是其主要消耗项.

“96·7”中亚低涡持续活动能量转换和频散特征

利用NCEP/NCAR逐日再分析资料,分析了1996年7月11—22日中亚低涡持续活动发展、维持和减弱过程中三维结构及其能量转换和频散特征。结果表明:(1)中亚低涡在对流层中高层发展并向高层和低层延伸,最大正涡度中心始终位于中高层,存在300h Pa以下为冷心、以上为暖心结构的气旋性深厚天气尺度系统,其发展—成熟—减弱过程最大正涡度中心由低涡中心西侧逐渐移至东侧,并对应低层辐合、中高层辐散的强上升运动。(2)扰动动能(KE)变化定量地反映中亚低涡强度变化和发展阶段,对流层中、高层KE强,同时,低涡内部的能量转换及其与外界的能量输送也主要发生在中、高层。低涡发展过程KE来源于扰动位能(AE)的转换和区域开放边界的扰动动能输入,且两者作用相当,它们使得低涡快速发展。低涡成熟期系统内部的能量转换很小,KE来自于外界扰动位能输入,消耗项为向开放边界的扰动动能输出。(3)此次低涡持续活动过程平均而言,东北大西洋反气旋式异常环流中心是罗斯贝(Rossby)波能量的频散源地,波能量向东欧—乌拉尔山频散,东欧—乌拉尔山正异常环流成为向中亚地区能量频散的"中继站",此地重新激发罗斯贝波向中亚地区频散使得中亚低涡持续活动了12d。(4)中亚低涡不同发展阶段罗斯贝波能量频散路径有所不同。发展和稳定维持期,东北大西洋正异常环流向东欧—乌拉尔山地区的能量频散过程显著,使得东欧正异常环流强盛发展并作为能量"中继站"向中亚地区频散能量,从而导致中亚低涡快速发展和稳定维持;减弱期,东北大西洋罗斯贝波能量向东南方向频散在地中海东部地区进入亚洲副热带西风急流,然后沿亚洲急流向东频散,使得中亚低涡维持,这阶段东欧—乌拉尔山地区不再出现向中亚地区的能量频散。

东北冷涡加强减弱过程的涡度收支和动能诊断

对东北冷涡加强和减弱阶段的涡度和动能的收支进行诊断分析。结果表明：无论在加强还是减弱阶段，冷涡区域范围整层的涡度变化均很明显；涡度平衡方程中，散度项、水平平流项及余项均是主要项，正涡度的增长和减弱对冷涡加强和减弱有重要贡献；动能收支方程中的各项也有明显差异，且在对流层中上层均有较强的能量交换过程。

东北冷涡过程的能量学分析

对一次较典型的东北冷涡过程作了能量学分析。结果表明，冷涡涡动动能的主要收入来自涡动位能的转换（Ａｅ→Ｋｅ）。在冷涡发展期，由外边界强气流入侵所产生的动能输入也十分重要。涡动动能的支出主要是转换为纬向气流的动能，即Ｋｅ→Ｋｚ，其次是消耗项和成熟期以后的边界动能输出。冷涡过程涡动动能变化的绝对值以中、高空为大，但相对变率却远小于低空。Ａｅ→Ｋｅ主要发生在７００—３００ｈＰａ中空。

采用大涡PIV研究Taylor-Couette流及其对混凝过程的影响

采用大涡PIV方法对Taylor-Couette流场的湍动能及湍动能耗散率进行了估算,并利用数值模拟对其进行验证,结合絮凝实验,综合对比速度矢量、湍动能分布、湍动能耗散率分布及对应流场中混凝过程的絮体图像,探究了湍动能与湍动能耗散率对絮凝效能的影响.结果表明,大涡PIV法与数值模拟在雷诺数较高的情况下有较好的一致性,且雷诺数越大一致性越好.在Taylor-Couette涡流场中,随着雷诺数的增大,湍动能与湍动能耗散率数值不断增大,且在流场中的分布由规律有序到紊乱最终趋于各向均匀一致.而混凝过程中湍动能与湍动能耗散率的数值大小及其在流场中的空间分布情况,均对产生絮体的大小和浊度去除率有较大影响.