Influence of Collective Boulder Array on the Surrounding Time-averaged and Turbulent Flow Fields

Arrays of large immobile boulders,which are often encountered in steep mountain streams,affect the timing and magnitude of sediment transport events through their interactions with the approach flow.Despite their importance in the quantification of the bedload rate,the collective influence of a boulder array on the approach timeaveraged and turbulent flow field has to date been overlooked.The overarching objective is,thus,to assess the collective effects of a boulder array on the time-averaged and turbulent flow fields surrounding an individual boulder within the array,placing particular emphasis on highlighting the bed shear stress spatial variability.The objective of this study is pursued by resolving and comparing the timeaveraged and turbulent flow fields developing around a boulder,with and without an array of isolated boulders being present.The results show that the effects of an individual boulder on the time-averaged streamwise velocity and turbulence intensity were limited to the boulder’s immediate vicinity in the streamwise（x/d c 〈 2-3） and vertical（z/d c 〈 1） directions.Outside of the boulder’s immediate vicinity,the time-averaged streamwise velocity was found to be globally decelerated.This global deceleration was attributed to the form drag generated collectively by the boulder array.More importantly,the boulder array reduced the applied shear stress exerted on theindividual boulders found within the array,by absorbing a portion of the total applied shear.Furthermore,the array was found to have a ＂homogenizing＂ effect on the near-bed turbulence thus significantly reducing the turbulence intensity in the near-bed region.The findings of this study suggest that the collective boulder array bears a portion of the total applied bed shear stress as form drag,hence reducing the available bed shear stress for transporting incoming mobile sediment.Thus,the effects of the boulder array should not be ignored in sediment transport predictions.These effects are encapsulated in this study by E     

基于IDDES方法的冲刷地形海底管道绕流数值模拟

近年来,海底管道对于近海油气工业中碳氢化合物的运输十分重要,预测海底管道周围水动力特征对于研究管道损坏机理具有重要意义。基于Spalart-Allmaras改进延迟分离涡模拟(improved detached eddy simulation,简称IDDES)湍流模型,利用开源OpenFOAM求解器计算单管冲刷过程中4个特征阶段管道周围水动力特征。在数值模拟中先计算了无圆管时均匀来流充分发展后的流场,依据该流场中进口流速分布设定有管道时的边界层及进口边界条件。通过将最终模拟结果与前人试验数据及数值模拟结果进行对比,表明了该模型计算结果相对于k-ε模型及LES模型更加贴合试验结果,验证了定义边界层方法的可靠性及IDDES模型在预测管道周围流场的适用性。模型计算结果显示,随着冲刷坑深度的逐渐增加,管道下游回流区会经历一个大幅缩减又逐渐扩大的过程,且逐渐关于圆管中心所在水平线对称;通过对不同冲刷阶段尾涡形态的分析表明,冲刷前期并没有涡脱产生,中期已经有产生涡脱的趋势,后期出现了明显的且较为稳定的涡脱。     

利用激光雷达探测灰霾天气大气边界层高度

为了探测灰霾天气大气边界层高度变化的特征,利用CE370-C型微脉冲激光雷达观测了北京2013年1月严重灰霾期间的大气边界层高度。基于激光雷达距离校正回波信号,使用梯度法处理了严重灰霾天和轻度灰霾天的大气边界层观测数据,发现在灰霾天气时大气边界层高度显著降低,严重污染时的大气边界层高度低于500米,日平均高度约424米,且与PM2.5浓度呈现明显的负相关性。将激光雷达探测结果与探空数据进行了对比分析,结果显示激光雷达与探空数据观测结果有较好的一致性,两者在本次灰霾期间的平均差异约为86米。     

基于二阶矩闭合模式平衡解的海浪生湍流混合系数解析估计

从次小尺度海洋运动方程和运动近各向同性假定出发,本文给出高确定性的海洋湍流二阶矩闭合方程和特征量变化方程.这组方程描述波动、涡旋和环流等较大尺度运动对海洋湍流的剪切不稳定性生成机制.同时,基于海浪破碎是湍流海面生成主要机制的认识,本文按破碎海浪统计理论给出湍流特征量变化方程的海面边界条件,包括由破碎能量损耗和卷入深度分别确定的海面动能通量和动能耗散率.根据上层海洋湍流特征量方程的平衡解和关于动能耗散率的观测资料,本文得到海浪生湍流混合系数的解析估计.所得到的海浪生湍流动能耗散率与观测资料进行了定性与定量对比,混合系数与先前Prandtl混合长度理论估计的一致性检验.     

一种基于卫星遥感AOT估算近地面颗粒物的方法

本文建立了一种基于卫星遥感AOT估算近地面颗粒物浓度的新方法.该方法考虑大气边界层厚度和近地面相对湿度的区域分布变化情况,基于大气边界层模式模拟结果和卫星遥感气溶胶光学厚度进行近地面颗粒物浓度估算.基于RAMS模拟结果和MODIS气溶胶光学厚度数据,利用该方法获得了华北地区近地面PM2.5质量浓度.并用研究区域中16个地面站点的颗粒物浓度监测数据对估算结果进行了评估.结果表明,遥感反演的近地面PM2.5与地面监测数据在趋势上基本一致,二者相关R2达到0.61.与此同时,又利用地面激光雷达和气象仪测量结果对MODIS气溶胶光学厚度数据进行了近地面颗粒物估算,并将估算的结果与新方法得到的估算结果进行了比较.比较结果表明,新方法获得的估算结果与地面监测数据具有更好的相关性,和常规方法相比,相关R2从0.32提高到0.62.     

Blasius问题临界值β~＊的一个新上界

为了研究流体力学边界层理论中的Blasius问题临界值上界的性质,给出了Blasius问题的等价奇异积分方程,通过研究等价的奇异积分方程的正解来研究Blasius问题临界值β＊的上界.通过选用新的比较函数c（t）和g（β）来研究奇异积分方程在C[β,1]中解的存在性,证明所获得的正解是等价奇异积分方程的解,得到Blasius问题临界值的新上界β＊≤-0.1971,改进了最近的首次估计β＊〈-0.18773.     

基于湍流结构的风沙颗粒起动动态演化的概念模式

从驱动沙粒群起动的湍流结构入手,提出了基于气固两相流自调节机制的风沙颗粒起动的概念模式。受风沙边界层湍流相干结构的产生、消亡、湍流的随机脉动和运动沙粒群碰撞过程的动量损失等因素的控制和影响,风沙两相流始终处于不平衡—平衡—不平衡的动态演化之中,在此过程中,存在着普通的空气动力学起动、典型的冲击起动、湍流猝发起动等多种起动方式的循环交替的动态演化。上述多种的沙粒起动方式能够根据风沙边界层边壁区的湍流运动应力和沙粒群碰撞过程的动量损失来界定。该概念模式需要综合利用相位多普勒粒子动态分析测速技术、粒子图像测速技术和高速数字摄影技术等手段来进一步验证。该概念模式的提出,将为深入理解沙粒起动的力学机制提供新的思路。     

北冰洋中心区夏季大气边界层结构特征及其与海冰范围变化的关系

利用中国第4~6次北极考察获得的北冰洋中心区(80°~88°N))GPS探空资料和NCEP再分析资料,分析了大气垂直结构、边界层参数的变化特征及其与海冰和温度变化的关系.结果表明,2010、2012和2014年夏季北冰洋中心区的对流层顶、边界层高度、逆温强度及风速和风向的垂直结构均存在明显差异.通过分析1979~2014年9月温度与海冰范围变化的关系,解释了其差异的原因.2012年9月北极海冰范围最小,减少了44%,具有明显的增温过程.2010年和2014海冰分别减少了22.6%和17%,出现的是降温过程.对比2种过程反映出海冰变化对大气边界层结构有重要影响.近30年北冰洋中心区(80°~90°N)1000和850hPa的温度变化呈显著的升温趋势,并与海冰范围呈显著的负相关.表明北极海冰的持续减少,会使地表至对流层中层持续增温.     

利用风廓线雷达资料对广州地区边界层日变化特征的分析研究

利用2010年11—12月亚运会期间设在广州五山站的车载式边界层风廓线雷达资料,对广州地区晴天条件下的边界层日变化特征进行分析。结论表明:（1） 折射率结构常数具有明显的日变化特征。夜间,受大气层结的抑制作用,湍流强度较弱,折射率结构常数的观测值约为10-17～10-18 m-2/3;白天,湍流在热力作用和动力作用的共同影响下,从底层大气向自由大气发展,观测值比夜间可增大两个量级,且在边界层顶部有较大阶跃。（2） 利用风廓线雷达谱宽资料可算出湍流耗散率,作为一种新的风廓线雷达二次产品,该参数对湍流的描述更为准确和细致。在晴天条件下,广州地区边界层顶从08时开始迅速上升,11时前后达到1 300 m左右,在日落前基本维持这个高度不变。      

风廓线雷达对折射率结构常数的实测分析

大气折射率结构常数（Cn2）是大气中折射率大小的体现,为了改善风廓线雷达（WPR）数据质量,提高WPR数据业务应用的可靠性,对边界层风廓线雷达近1年的实测数据采用归纳对比的方法,分析得到Cn2与温度湿度变化的关系,并总结出成都地区晴朗天气下,四季Cn2量级的变化范围,与理论推导一致.夏天10-12到10-20,春秋10-13到10-20,冬天10-14到10-21,此外,根据降水量大小不同,Cn2提升3到6个量级,获得这些定量的范围,为相关风廓线雷达产品识别提供了方法和依据.