旋转扰动流体中壁面湍流不稳定及其拟序结构研究Ⅰ:实验

重点介绍和讨论了中性条件下旋转扰动流体中边界层强迫不稳定及其相关的一些问题,阐述了旋转体系中切变驱动边界层不稳定的动力学特征.这些不稳定状态的研究在大气物理学、流体动力学、海洋学等多个领域中引起科学家极大的兴趣,近年来在实验和理论研究中都得到了不断的发展.意大利都灵大学基础物理系地球科学实验组通过水槽旋转实验方法,不断改变水槽启动或结束时的旋转运动速度,以及底部壁面粗糙度等要素,所得到的实验结果与SDBL理论非常一致.     

旋转扰动流体中壁面湍流不稳定及其拟序结构研究Ⅱ：数值模式

对第一部分的实验结果进行了讨论,指出局地最大、最小涡度的存在与所谓的正压不稳定和大气中经常观测到的滚动涡有关。速度廓线中的拐点和涡度极大值点对应不稳定发展的位置。另外,为了改进湍流的模拟,根据“准正则”近似,发展了一个三阶闭合模式。这个模型已被证明可以描述与湍流过程有关的流体动力学变量的趋势。     

近壁湍流边界层相干结构形成的动力学分析

以壁面脉冲扰动来构建湍流边界层近壁区对称与非对称相干结构理论模式,采用直接数值模拟的方法,研究了湍流边界层近壁区对称与非对称相干结构形成的理论机制和演化规律.计算结果显示非对称相干结构比对称相干结构更容易增长,这是由于非对称型结构能在湍流边界层近壁区域诱导产生较大的展向扰动速度,且不同初始结构类型分布对湍流边界层近壁区相干结构形成的动力学机制不同所致,从而加深了对近壁湍流边界层单个相干结构形成的某种动力学机制的认识理解.     

夜间稳定边界层中间歇性湍流热通量的 提取及其谱特征

在夜间稳定边界层中, 湍流热通量往往具有间歇性特征。在一阵阵出现的强度较大的湍流热通量之间, 混杂着弱噪声或其他微弱的难以辨识的高频脉动信号。为了研究间歇性湍流热通量的特征, 必须将这些无关信 号剔除, 以提取出干净的湍流热通量。本文提出了一种新的提取间歇性湍流热通量的方法, 该方法通过分析 湍流热通量的概率密度函数, 并与稳定分布进行比较, 湍流热通量的概率密度函数开始偏离稳定分布的位置, 即是间歇性湍流热通量开始出现的阈值。本文通过夜间稳定边界层外场试验数据的验证, 发现利用稳定分布确定 的阈值可有效地提取出间歇性湍流热通量。在此基础之上, 本文对比了提取前后湍流热通量的功率谱, 发现 提取后低频信号的方差所占比重下降, 而高频信号略有上升。此外, 间歇性湍流热通量在高频区的功率谱满足“-7/6”律。     

实验速度场测量技术及对流边界层特征研究

在对流槽中对对流边界层(CBL)温度场实验研究的基础上,进一步尝试通过实验技术测量速度场并分析研究CBL中的速度场特征。在应用PIV测量技术时选用铝粉作示踪粒子。实验证明了在混合层中速度分布明显具有对流边界层热泡特性;混合层顶部的速度分布很好地反应出夹卷层的结构特征;湍流速度特征量的垂直分布合理,与野外实测结果和类似的对流槽实验结果接近;误差分析表明示踪粒子的跟随性良好,粒子速度的测量结果能真实地反应流体的运动特征,从而得证了分析结果的可靠性。     

旋转流体物理实验中见到的大气环流特征

在合适的实验参数下(热力Rossby数R_(OT)=0.1,Taylor数T_a=2.2 ×10~7),在旋转斜压流中,大尺度地形强迫造成低频振荡以及大气环流中的“阻塞”流型。这是由于地形强迫造成的准静止波与行进波的相互作用及共振引起的。地形把波数单一的流动变成多波数的流动。地形强迫使波数减少。     

地形上空边界层流中低层锋面结构的理论研究 I：冷锋、均匀地转流

文中利用一个包含地形、边界层摩擦作用的二层锋面简化模型 ,讨论了地形、边界层对冷锋锋面结构、环流的动力学影响作用问题。冷锋的倾斜主要与冷锋暖区的地转流分布、锋面移动速度、锋面与地形的相对位置有关。当冷锋位于迎风坡时 ,其坡度减小 ,位于背风坡时 ,其坡度增大。在静止冷锋存在两类不同的环流系 ,即位于大气低层、地面锋附近的反时针环流系和远离地面锋的顺时针环流系。静止冷锋位于背风坡 ,其冷域中的这支闭合环流增强 ,范围增大 ,而位于冷锋界面上的环流转向点沿锋面上移 ,暖域中沿锋面的暖空气运动范围变大。当静止冷锋位于迎风坡时 ,结果相反。冷锋移动较慢时 ,其冷域远离地面锋的这支顺时针环流主体可被地形完全阻塞在迎风坡。当静止冷锋移离地形时 ,由于地形作用可在锋面暖域、地形下游形成一个背风槽。地形对锋区的垂直运动影响主要通过地形与边界层共同作用 ,改变锋区流场辐合辐散的分布及地形强迫抬升两条途径实现。由于边界层摩擦的辐合作用 ,在地面冷锋的前缘可形成一支范围较窄、强度较大的上升运动带 ,当冷锋位于迎风坡时 ,其强度增强 ,当冷锋位于背风坡时 ,其强度减弱。当冷锋位于背风坡时 ,在暖区沿锋面上升的暖空气运动范围增大 ,可以出现沿锋面相间隔的多个上升区     

中层大气重力波的一种激发机制及其数值模拟 I. 非地转不稳定和波结构

本文用FGGE资料分析了1979年2月—3月一次爆发性增温期间平流层环流的不稳定性，从而说明在平流层爆发性增温期间伴随产生大振幅重力波活动的原因。分析结果表明:在平流层爆发性增温期间，大气中存在着很强的并且是系统性的非地转运动，从而产生非地转不稳定。强烈的地转偏差的存在激发出大振幅重力波。我们还应用一个线性化扰动方程求得了非地转不稳定判据；并且用数值方法分析了这次爆发性增温期间基流的特征谱点和不稳定波结构。计算结果表明基流满足非地转不稳定条件，具有快波性质的波动出现了不稳定。