Non-Kolmogorov湍流下外差激光雷达探测性能

基于Rytov近似和Huygens-Fresnel原理,推导出外差激光雷达在non-Kolmogorov弱湍流中斜程探测时目标平面的平均光强和闪烁指数,得到外差激光雷达系统效率,并针对广义指数、天顶角、结构常量、基站结构、望远镜孔径和光束类型对系统效率的影响进行了研究.研究结果表明:当广义指数小于3.2或大于3.8时,外差激光雷达的系统效率减小幅度较大;随着天顶角的增大系统效率逐渐减小;双基站结构外差激光雷达的系统效率小于单基站结构;随着望远镜孔径的增大,系统效率存在最低值,并最终趋于平缓;近场时平行光系统效率最大,远场时发散光的系统效率最大.

Kolmogorov与Non-Kolmogorov湍流相位屏的数值仿真方法研究

利用功率谱法、随机中点位移算法、线性插值法和统计插值法分别生成Kolmogorov湍流与Non-Kolmogorov湍流相位屏。通过对比模拟相位屏的高低频信息以及相位结构函数与理论结构函数的相对误差,分析了四种相位屏仿真方法分别在Kolmogorov湍流与Non-Kolmogorov湍流模型下的适用性。分析的结果表明:随机中点位移算法无论是在Kolmogorov还是Non-Kolmogorov湍流模型下生成的相位屏高低频信息都较为充足,模拟效率高而且相位结构函数在两种模型下与理论值的相对误差最小。

拉盖尔-高斯光束在non-Kolmogorov湍流中传输的数值模拟

针对大气湍流对拉盖尔-高斯光束的螺旋谱的影响,本文提出利用多相位屏法模拟拉盖尔-高斯光束在大气湍流中的传输。采用傅里叶变换法模拟符合non-Kolmogorov谱的大气随机相位屏,通过改变拓扑荷、光束波长、指数参数、折射率结构常数、湍流内尺度、外尺度等参数,对大气湍流的影响进行数值模拟。仿真结果表明,大气湍流会导致拉盖尔-高斯光束的螺旋谱的弥散。而且,螺旋谱弥散与拓扑荷、波长、指数参数、折射率结构常数、内尺度、外尺度密切相关。

Non-Kolmogorov湍流对光强影响的模拟实验

基于液晶空间光调制器进行了Non-Kolmogorov湍流的室内模拟实验,并对光强概率密度分布、光强闪烁指数及光强时间频谱进行了分析,完成了模拟实验结果与相关湍流理论之间的对比验证.实验结果显示:在弱湍流下,归一化对数光强近似服从正态分布,且随着湍流强度的减小,正态分布拟合系数增大;光强时间频谱高频段的幂律随着湍流功率谱幂律的减小呈减小趋势,与理论分析一致,但具体数值小于理论预测;闪烁指数则随着大气相干长度的增大而减小,在大气相干长度小于0.05 m的范围内闪烁指数急剧变化,在大气相干长度大于0.2 m之后趋近平缓,这一变化趋势与湍流幂律无关,与理论预测一致,表明湍流模拟实验能较好地再现湍流对无线光通信中接收光强的影响.模拟实验的误差分析表明,不同强度湍流的模拟实验其误差主要来源不同,可为实验的进一步改进提供针对性建议.

空心光束在Non-Kolmogorov湍流中的角扩展及传播方向研究

利用两束束宽不同的平顶光束,建立空心光束的理论模型;基于广义惠更斯-菲涅耳原理和积分变换技术,推导出空心光束在Non-Kolmogorov湍流中的二阶矩束宽、扩展角及相对扩展角表达式,定量地分析湍流对空心光束扩展角的影响。研究发现:当3<α<3.11时,扩展角θsp和相对扩展角θsp/θspfree随湍流广义指数α的增加而增加;而当3.11<α<4时,θsp和θsp/θspfree均随α的增加而减小。θsp/θspfree随遮拦比ε、光束阶数M(N)的增加而减少,即湍流对空心光束扩展角的影响随ε、M(N)的增加而减少。此外,给出不同参数的空心光束在Non-Kolmogorov湍流中二阶矩束宽随传输距离的变化图,研究指出不同参数的空心光束传输于Non-Kolmogorov湍流中可产生相同的传播方向,并对以上结论均作了相关的物理解释。

Non-kolmogorov湍流下到达角分析的模拟实验

为了分析Non-kolmogorov湍流下的到达角,利用液晶空间光调制器设计了1km无线光通信模拟实验,研究了Non-kolmogorov湍流对到达角概率密度分布、到达角起伏方差和到达角时间频谱的影响。实验结果表明:湍流强度变大时,到达角起伏变大且到达角概率密度分布逐渐偏离正态分布,到达角起伏方差与湍流模型的关系也从开始的正增长逐渐变成负增长;到达角时间频谱的高频段幂律与湍流模型幂律成正增长。实验结果与理论基本一致。

多色部分相干偏心光束在non-Kolmogorov湍流中的传输

推导了多色部分相干偏心光束在non-Kolmogorov湍流中传输的总光强、轴上光谱、相干度的解析表达式,研究了光束偏心参数β、湍流广义指数α和源光谱带宽Ω对激光传输特性的影响.研究表明:β越大,则光束重心偏离传输轴越远,相干度的不对称性越明显,但是,β对轴上光谱几乎没有影响;湍流广义指数α对总光强、轴上光谱和相干长度的影响是非单调的,当α=3.1时,湍流对光束传输特性的影响最大.值得指出的是:在某些传输距离处,不同α对应的轴上光谱位移量相同;在某些传输距离处,轴上光谱位移量为零,且该传输距离与Ω无关,但湍流使得该传输距离缩短.所得结论对多色部分相干偏心光束在湍流大气中传输的相关应用具有重要意义.

湍流场高分辨重构的时程深度学习方法

湍流的研究离不开高分辨率的流场数据,但受测量方法、计算效率和数据存储等多方面限制,高分辨率湍流数据的直接获取仍比较困难。本文基于流场时程数据的低维表征模型,提出基于神经网络的特征编码预测模型与高分辨率的湍流重构方法。首先,基于一维卷积方法建立湍流时程的低维表征模型;然后,基于人工神经网络模型建立测点坐标与特征编码之间的映射关系,实现未知测点的特征编码预测;最后,利用所预测的特征编码结合表征模型的解码器生成求解域内任意位置处的湍流时程。对Re=2.2×10^(4)的方柱湍流场进行低维表征,进而实现高分辨率流场时程数据的重构,并验证方法的准确性。本文所提方法是一种在时间维度上具有高精度的湍流重构方法,且是一种无监督训练方法,可广泛应用于基于一点的传感器数据处理,是一种适用于湍流流场时程数据重构的新方法。

不同湍流模型对环形射流泵流场模拟的影响

为准确反映环形射流泵吸入室内流体剧烈的动量交换对流场的影响,将RNG k-ε(RNG)、Realizable k-ε(RKE)、RSM、Standard k-ω(SKW)、SST k-ω(SST)这5种湍流模型和3种壁面处理方法进行组合对比计算,并开展水力实验进行验证。结果表明:不同壁面函数对环形射流泵性能和壁面压力系数的计算影响很小;相较于RNG、SKW、SST,RKE模型或RSM模型结合可扩展壁面函数(ScWF)的计算结果与实测更吻合。对比模拟流场发现:低流量比工况下不同湍流模型性能预测结果与模拟的回流区分布范围相关,模拟出来的回流区范围越大,预测的环形射流泵性能越低。基于熵产理论分析认为,环形射流泵的能量损失主要源于分布在壁面和混合剪切层的湍动熵产,高流量比工况下RSM模型计算得到的湍动熵产率偏高,是其预测性能低于RKE模型的主要原因。

Non-Kolmogorov湍流对轨道角动量纠缠W态的影响

运用单相位屏近似法研究了轨道角动量纠缠W态传输通过non-Kolmogorov湍流的纠缠退相干。数值分析了湍流参数和光束参数对轨道角动量纠缠W态演化的影响。研究结果表明大气湍流的谱指数和内尺度越大,湍流的折射率结构常数和湍流的外尺度越小,轨道角动量纠缠受non-Kolmogorov湍流的影响越小。此外,光子轨道角动量量子数越大且拉盖尔高斯光束的束腰宽度越小,轨道角动量纠缠受non-Kolmogorov湍流的影响越小。

湍流环境下颗粒与气泡黏附过程的数值模拟研究

研究湍流环境中颗粒与气泡的黏附过程对于探究浮选微观过程具有重要意义。基于EDEM的API(应用程序编程接口)二次开发模块,建立了颗粒与气泡黏附过程相互作用的三维离散元法(DEM)模型。在Fluent软件中通过构建规则格栅以激发各向同性的湍流,并将湍流环境通过计算流体力学-离散元(CFD-DEM)加入到EDEM软件中。模拟了颗粒粒径为0.10、0.15、0.20、0.25和0.30 mm,颗粒密度为1500、2000和2500 kg/m^(3),球形度为0.746~0.854的不规则颗粒,和气泡直径为1.00、1.20、1.60和2.00 mm,在气泡与格栅间距离为1.00、1.50、2.00和3.00 mm的湍流环境下颗粒与气泡的黏附过程。研究了颗粒、气泡、流场各参数对于颗粒与气泡黏附过程的影响。结果发现,无论规则颗粒还是不规则颗粒在湍流环境中与气泡的黏附均存在临界脱附流速(颗粒与气泡发生脱附的最小湍流流场流速)。密度大的颗粒和粒径大的颗粒与气泡黏附的临界脱附流速更小,表明粒径和密度大的颗粒与气泡难以稳定黏附。气泡的直径越大,颗粒与气泡稳定黏附的临界脱附流速越小,颗粒越难以稳定黏附。在相同的流速下,气泡与格栅间距离越小,则流场湍流强度越大,颗粒与气泡稳定黏附的临界脱附流速越小,表明湍流强度的增加不利于颗粒与气泡的稳定黏附。球形度小的颗粒与气泡稳定黏附的临界脱附流速也较小,表明球形度小的颗粒与气泡难以稳定黏附。

湍流风况下风电机组机舱近尾流的数值模拟研究

水平轴风电机组机舱风速是机组控制的主要信号参数。机舱风速受风电机组来流湍流与风电机组近尾流影响,变化复杂,对风电机组的优化控制有重要的影响。本文采用计算流体力学(CFD)方法,对湍流风况下风电机组机舱近尾流进行了详细分析。对比研究了稳态均匀风况和湍流风况下的近尾流的结构、机舱速度分布及其对风电机组总体性能的影响。研究发现,风电机组总体性能随湍流风况波动也呈现多尺度波动特征。湍流风况下,经过滤波后的机舱风速的时间序列和来流风速的时间序列体现出很强的相关性。对于湍流风况和稳态均匀风况,叶片/风轮旋转对风电机组机舱风速波动的影响最大。湍流风况会增加风电机组机舱风速的波动频率,增大波动的幅值,削弱风轮旋转对尾流和机舱风速的影响。湍流风况使得机舱周围的流动结构更复杂。稳态均匀风况与湍流风况下叶片吸力面叶根位置处都发生了分离流动,湍流强度增大了叶根位置处的流动分离。

多孔介质壁面湍流边界层的研究进展

多孔介质壁面的可渗透性加强了界面附近的动量和能量输运,增加了多孔介质壁面湍流边界层中流动的复杂性.多孔介质壁面直接影响着湍流边界层中的湍流结构时空演化及各种物理量的生成机制和输运特性.本工作总结了多孔介质壁面湍流边界层统计特性和湍流结构特性的最新研究进展.首先,概述了多孔介质基底特性对边界层湍流特性的影响,包括对平均统计量、壁面摩擦因数和湍流结构的研究,指出多孔壁面湍流边界层的结构特性与开尔文-亥姆霍兹(Kelvin-Helmholtz,KH)不稳定性密切相关;其次,总结了多孔介质边界层中大尺度湍流结构对近壁区小尺度湍流结构的调制作用;最后,给出了该领域的未来研究方向.

基于湍流动能控制的煤粉摩擦荷电过程强化模拟研究

摩擦电选在煤粉净化、粉煤灰脱炭等方面具有较强的技术优势和良好的应用前景。煤和矿物颗粒在摩擦器中充分摩擦异性荷电是实现高效摩擦电选的关键。利用计算流体力学对摩擦器内部流场进行数值模拟,以湍流动能为指标分析颗粒摩擦荷电效果,湍流脉动强度越大,颗粒摩擦荷电效果越好,分析了阻尼块间距、阻尼块角度和阻尼块高度对摩擦器内部体积平均湍流动能的影响规律。研究表明,摩擦器内湍流动能与阻尼块间距呈负相关,满足幂函数关系k=95.08l^(-0.56)。摩擦器内湍流动能随着阻尼块尺寸的增加呈先增加后稳定的趋势,而阻尼块角度对湍流动能的影响呈二次曲线关系。因此,摩擦器的结构设计时应适当减小阻尼块间距,增大阻尼块角度,适当增加阻尼块高度。

基于时空最优低维动力系统的多尺度可压缩湍流数值模拟方法

按照周培源教授关于研究湍流数值模拟建模时必须分析和求解脉动速度场的思想,该研究基于第一性原理,系统地建立了基于时空低维最优动力系统的多尺度可压缩湍流数值模拟方法(LMS方法),并将其应用于多次冲击Richtmyer-Meshkov问题的数值模拟中,首次得到了可压缩湍流的中尺度流场和不同于DNS近似解的湍流近似解.数值结果表明,LMS方法可以用较少的网格获得更精确的湍流近似解.首先解决了研究中遇到的几个问题,为LMS方法的构建铺平了道路.这些问题是:基于湍流的物理特性,提出了湍流大、中、小尺度分解的新概念;找到了box滤波空间相关性的计算方法;指出了湍流建模理论中长期存在的逻辑错误,提出了多尺度湍流模型的概念;讨论了湍流封闭问题的本质和关键,给出了克服湍流封闭问题的数值方法.采用box滤波方法/空间网格平均方法且在大尺度网格的意义下,LMS方法的本质是一种将RANS、LES、DES和DNS等湍流数值模拟方法统一的全新湍流数值模拟方法.需要指出的是,LMS方法也可以作为湍流模型研究的辅助工具,以检验SGS尺度方程/脉动方程中各项所对应的湍流模型是否正确.

湍流风况顺桨风力机叶片气动阻尼特性研究

当前风电技术大型化发展,叶片气弹失稳问题特别是特殊工况下的稳定性问题成为国内外各界关注的热点和难点.湍流风况下顺桨风电叶片气弹稳定性直接影响风电机组的安全可靠性.气动阻尼是叶片稳定性判断的重要指标.为探究湍流风况顺桨风电叶片气弹失稳特性规律,以NERL 5 MW风力机叶片为研究对象,基于修正叶素动量理论、欧拉-伯努利梁模型和气动阻尼计算方法,建立顺桨叶片气动阻尼计算模型,采用Kaimal湍流风模型进行瞬态分析,获得风况参数对风力机叶片气动稳定性的影响规律及叶片的气动失稳概率,为大型风力机叶片气弹稳定性设计与控制提供参考.结果表明:顺桨叶片气动阻尼在全周风向上呈180°周期特性,且25°风向为相对危险工况;风速越大气动阻尼负值越显著,气动不稳定风向范围越大,失稳概率越大;湍流强度增加,一阶挥舞气动阻尼下限降低幅度明显,气动不稳概率增加;湍流风况下顺桨叶片平面外方向的失稳概率较平面内方向更大,且两个方向失稳概率曲线呈相似周期性规律.

光子纠缠态在non-Kolmogorov大气湍流中纠缠退化的研究

基于non-Kolmogorov大气湍流谱理论,建立了双量子比特路径纠缠态在大气湍流中传输的数学模型,获得其纠缠退化的解析表达式,并进行了数值仿真。研究结果表明:当空间距离分布较小的双量子比特路径纠缠态在大气湍流中传输时,其纠缠度的保真度较高;同时,较长波长的纠缠光在折射率功率谱指数α较大、广义湍流折射率结构起伏结构函数C_(n)^(2)较大的non-Kolmogorov大气湍流中传输保真度较高。所建立的远距离纠缠态传输模型可定量分析纠缠退化问题,为自适应低误码率的远距离大气量子通信提供了可靠的理论参考。

基于LSTM-POD的汽车湍流尾迹的高时间分辨速度场重构

本文针对方背Ahmed汽车标模的湍流尾迹,建立基于长短时记忆法(long short-term memory,LSTM)和本征正交分解(proper orthogonal decomposition, POD)相结合的深度学习模型LSTM-POD。通过建立非时间分辨平面速度场POD模态系数和若干离散点的时间分辨速度信号的映射关系,实现了方背Ahmed汽车标模湍流尾迹流场的高时间分辨率重构,并对比了不同时间步长配置,即单时间步长(LSTM-Sin)和多时间步长(LSTM-Mul)对重构效果的影响。研究表明:LSTM-POD模型在时间序列重构中具有较强的学习和泛化能力。另外,LSTM-Mul考虑到了时间上的连续性和相关性,相较于LSTM-Sin,其重构出的低阶模态系数和速度场与POD的重构结果更吻合。本研究提出的深度学习模型可以缓解通过实验及高精度数值模拟获取高时间分辨率流场数据资源消耗大、计算效率低等问题。

超临界压力流体管内湍流对流传热的计算方法

将边界层积分方法应用于管内变物性湍流流动导出了剪切应力的分布方程,基于该方程可以对超临界压力流体的对流传热行为做出合理的定性解释。对于加热条件下的传热工况,结合“热可压缩”状态流体密度的变化,引入浮力阻力系数表征热流方向上的“浮力效应”,引入加速阻力系数表征流动方向上的“加速效应”。根据边界层理论和动量-热量传递比拟法导出了新型传热关联式,该关联式将不可压缩流体和热可压缩流体的管内湍流对流传热计算统一起来。应用关联式预测不同超临界流体的管内湍流对流传热系数,计算结果与实验数据的比较表明:关联式能较为准确合理地预测出大部分传热工况下的传热强化和传热恶化行为,其预测精度与摩擦阻力系数的计算有关。

基于大跨度拱棚湍流结构演化的棚型优化

大跨度拱棚在园艺设施中应用日益广泛,跨度、高度增加会加大棚内空间,但风温性能与时空演化更为复杂。为探明大跨度拱棚湍流结构演化规律并进行棚型优化,该研究以生产中常用的20 m跨度宜机化拱棚为主要对象,建立融合设施结构与番茄植株气动特征的多场耦合仿真分析模型,并开展示范工程应用。结果表明:大跨度拱棚存在湍流现象,断面涡流多呈双旋涡特征;棚的脊高越低,温度、气流分布均匀性越差,通风效率虽较高但换气率较低;风温分布均匀性会伴随拱棚高度增加变优,但太高时因热压通风演化为主通风方式,风压通风效能会明显下降;针对20 m大跨度拱棚,脊高6.0~6.5 m时构型较优,兼顾经济性、安全性等因素脊高取6.0 m更优。通过示范工程验证了模型的可靠性,为同类园艺设施结构构型优化提供了高效可靠手段。