涡旋中双臂形成的物理机制及其演变

利用柱坐标下的流体涡度方程,研究了涡旋中双臂的形成机制问题.结果表明：涡旋中切向波数为2（m=2）的扰动在基本流场中可出现不稳定快速增长,但其增长率受时间限制;扰动可演变为螺旋双臂并向外扩展;扰动发展的物理机制是扰动的速度场对基本涡度场强平流效应所致. 关键词： 旋涡星系 不稳定波动 螺旋云带 台风     

台风“彩虹”(2015)高分辨率数值模拟及涡旋Rossby波特征分析

采用中尺度数值预报模式对2015年22号台风"彩虹"进行高分辨率的数值模拟,成功地模拟出台风"彩虹"的移动路径、强度和降水分布,尤其是在台风登陆前后,模拟结果与实况比较接近.以此为基础,利用模式输出资料,分析台风的动力、热力精细结构和台风雨带的宏观特征.眼墙处具有低层径向入流、高层径向出流的动力配置.在眼墙附近,同时存在切向风速高值区、垂直上升区、正温度距平区,并随高度向外侧倾斜,雷达回波较强,对流系统比较深厚.次级雨带、主雨带和远距离雨带的雷达回波相对较弱,对流系统垂直厚度略小.再利用尺度分离方法,得到涡旋Rossby波的扰动场资料,进一步分析涡旋Rossby波的特征.1波、2波同时朝切向和径向传播,1波的振幅明显大于2波.研究结果表明,1波、2波正涡度扰动对应强雷达回波,存在强对流活动.降水区上空的垂直涡度扰动呈上正下负的配置,与水平散度扰动的垂直配置相似时,会加强低层辐合和高层辐散,有很强的垂直上升运动,有利于对流系统发展,降水增强.1波、2波扰动的动力配置影响了对流系统的发展,并对降水强度和分布有一定的诊断作用.     

多模高阶涡旋光的光束漂移实验研究

光束漂移会造成涡旋光功率波动和闪烁,是影响自由空间光通信、传感以及远距离成像的一个重要因素.通过调控多模涡旋态和模拟扰动环境,实验研究了非相干叠加和相干叠加多模涡旋光的漂移现象.通过测量轨道角动量(OAM)谱中信号OAM模式的功率波动和闪烁指数,发现高阶涡旋光束比低阶涡旋光束具有更优的抗功率波动和抗闪烁表现;多模涡旋光...     

台风莫拉克(2009)暴雨过程中位势切变形变波作用密度诊断分析和预报应用

在水平风场切变形变的基础上引入物理量——位势切变形变, 把水平风场的垂直分量和切变形变与广义位温的空间梯度结合起来. 该物理量的二阶扰动被定义为波作用密度, 在局地直角坐标系中推导了能够描述中尺度扰动系统发展演变的波作用方程. 对2009年登陆台风莫拉克引发的暴雨过程进行诊断分析, 结果表明, 台风中心区切变形变向涡度的转化显著, 该转化通过纬向风的经向梯度实现. 纬向风速的经向梯度与广义位温垂直梯度的耦合引起位涡和位势切变形变之间的转化, 以至于位势切变形变和位涡的异常值区分别位于台风环流的外侧和内侧. 波作用密度因能够描述水平扰动风场的垂直切变和切变形变以及凝 结潜热函数扰动梯度而与观测降水联系紧密. 相关统计分析表明, 2009年夏季波作用密度与6 h观测降水存在明显滞后相关性, 对未来6 h降水有一定的指示意义. 另外, 波作用密度通量散度和扰动非地转风位涡是影响波作用密度局地变化的主要物理因素. 基于波作用密度与观测降水的良好相关性, 建立了波作用密度暴雨预报方程. 2009年登陆台风"苏迪罗", "天鹅", "莫拉菲"和"巨爵"的暴雨预报个例分析和长时间序列的ETS评分计算表明, 波作用密度对台风暴雨具有较好的预报效果, 其预报降水能力略优于美国全球预报系统(GFS)的直接降水预报. 关键词： 位势切变形变 波作用密度 波作用通量散度 台风暴雨     

涡旋对深海风成噪声垂直空间特性的影响

涡旋是深海环境中频繁出现的海洋现象,它会引起上层海水的声速扰动,改变海面风成噪声的传播过程,最终导致噪声场特性异常.本文采用高斯涡模型描述涡旋引起的声速扰动,分别使用射线和抛物方程模型描述近场和远场噪声信号的传播,研究了涡旋对其水平中心位置不同深度上的风成噪声垂直空间特性(包括噪声垂直方向性和垂直相关性)的影响.研究表明:1)在涡心深度上,涡旋对噪声垂直空间特性的影响最大,其中冷涡导致噪声垂直方向性中水平凹槽的宽度增加,凹槽下边缘峰值的高度降低,噪声垂直相关性减弱,暖涡的影响反之; 2)在远离涡心的深度上,涡旋对噪声垂直空间特性的影响减小,冷涡和暖涡分别仅引起噪声垂直方向性中水平凹槽下边缘峰值的高度升高和降低,对噪声垂直相关性几乎没有影响; 3)涡旋对噪声垂直空间特性的影响均随其绝对强度增大而增强.针对以上现象,使用射线逆推方法分析了涡旋影响噪声垂直空间特性的机理.该方法由噪声接收点发射声线,利用声场互易性分析噪声沿声线反向到达接收点的俯仰角和能量大小.分析表明,存在涡旋时,噪声沿海面反射声线反向到达接收点的俯仰角和能量变化,是引起噪声垂直空间特性变化的主要原因.此外,仿真表明,当接收点偏离涡旋水平中心但两者距离较近时,研究中的分析和结论仍是近似成立的.     

涡旋中的简正波相速度、群速度和干涉距离的变化

采用声道相积分近似表示的频散方程，并把涡旋（或水团）的作用认为是对声道的一种扰动，讨论无扰声道、冷核和热核涡旋扰动对声传播特性的影响．根据频散方程的解，给出涡旋中的简正波相速度、群速度和干涉距离与涡旋强度的关系．当平面声波（入射掠角α）向热核涡旋（核心强度BM）的中心推进时，只要sin2α＜BM＜2（1－cosα），则声道创面将出现“双声道现象”，并使简正波相速度和干涉距离发生与冷核涡旋完全不同的异常变化．     

大气-海浪-海流耦合模式的建立和一次台风过程的初步试验

利用Linux系统中共享内存及进程间通信技术,将广泛应用于大气、海洋、 海浪研究的数值模式耦合,综合考虑了大气对海流和海浪的风力驱动、 海洋对大气下垫面的改变及海浪对海洋的浪致混合作用, 建立起高分辨率的中尺度台风模式.以一次台风过程为模拟背景, 对2006年的"格美"台风进行模拟,利用可得到的观测资料,对模拟结果进行验证. 结果表明:模式经过spin-up阶段后,基本能够模拟出实况台风强度的变化趋势, 中心最低气压、风速和路径的模拟与实况较为一致. 同时,对台风强风条件下的海面降温及海浪高度都有较为合理的再现. 模式误差的出现,与当前模式微物理过程参数化方案、大尺度初始场、 Bogus台风的构造及海洋模式中海洋上层物理参数化方案等相关.     

超流费米气体中两维孤子的动力学

我们利用解析和数值的方法,研究从Bardeen-Cooper-Schrieffer(BCS)超流到玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)渡越的过程里超流费米气体中两维(2D)孤子的形成和演化.基于超流流体力学方程,在准二维和长波近似下,推导描述弱非线性激发带正色散项的Kadomtsev-Petviashvili方程;给出整个BCS-BEC渡越的2D孤子解,以及数值求解孤子在囚禁势中的演化.数值结果显示由于Snake(横向)不稳定性,大振幅的暗孤子会衰变为大量涡旋-反涡旋对,并且这个不稳定性在不同超流区域不同.     

大气湍流像差散焦和像散与高斯涡旋光束焦面光强

分别研究了构成大气湍流波像差中的散焦和像散两个低阶像差对高斯涡旋激光束传输和成像的影响.采用菲涅耳-基尔霍夫衍射积分理论和大气湍流波相位结构函数的平方近似研究了聚焦高斯涡旋光束在大气湍流中散焦和像散影响下焦面光强的分布特性.导出了斜程传输条件下接收面上平均光强分布的积分表达式,并采用数值模拟方法研究湍流强度、传输距离和拓扑电荷对焦面光强的调制规律.结果表明:在弱湍流起伏区域,散焦和像散两类像差对高斯涡旋光束的光强分布影响都很小,可以忽略;在中等湍流区域,随着光束传输距离和湍流强度的增加,两类像差都导致高斯涡旋光束的光强峰值降低、束径扩展、中心暗斑扩大.当单拓扑电荷高斯涡旋光束传输时,在同等传输条件下,像散导致的光强峰值降低比散焦更严重,主亮斑区域外的次级亮环强度更大,光斑和中心暗斑扩展更明显.与单拓扑电荷光束相比较,散焦和像散导致双拓扑电荷光束的扩展更加明显,中心光斑更大,亮环区域外的次级亮环更明显;但是,由于光的相干性的降低和光束的偏折效应,像散导致光束中心的暗斑变为次级亮斑.     

台风风场分解

为了对台风流场的复杂结构进行研究，采用二次变分方法对台风风场进行分解.首先，将台风的流场分解成最大的、不对称的涡旋流场和无旋流场；然后将不对称的涡旋流场分解成最大的对称涡旋和不对称的β涡旋对；最后，利用WRF(weather research and forcasting)模式(V2.1.2)模拟了200601号珍珠台风，并对各时次的500hPa风场用该方法进行分解，结果表明：该方法对台风的运动机理研究和实际的台风路径预测提供了有价值的信息. 关键词： 变分方法 涡旋 β涡旋对')" href="#">β涡旋对 通风流     

A Numerical Study of Vortex and Precipitating Cloud Merging in Middle Latitudes

We mainly focus on the study of precipitating cloud merging associated with vortex merging. The vortex and precipitating cloud merging are simulated by the cloud resolving model from 0000 21 to 1800 23 July 2003. The results show that the model well simulates vortex circulation associated with precipitating clouds. It is also proven that the vortex merging follows the precipitating cloud merging although vortices show the spatial and temporal differences. The convection vorticity vector is introduced to describe the merging processes. Two merging cases are identified during the 42-h simulation and are studied.     

Jupiter's Great Red Spot and zonal winds as a self-consistent,one-layer,quasigeostrophic flow

We present the point of view that both the vortices and the east-west zonal winds of Jupiter are confined to the planet's shallow weather layer and that their dynamics is completely described by the weakly dissipated, weakly forced quasigeostrophic (QG) equation. The weather layer is the region just below the tropopause and contains the visible clouds. The forcing mimics the overshoot of fluid from an underlying convection zone. The late-time solutions of the weakly forced and dissipated QG equations appear to be a small subset of the unforced and undissipated equations and are robust attractors. We illustrate QG vortex dynamics and attempt to explain the important features of Jupiter's Great Red Spot and other vortices: their shapes, locations with respect to the extrema of the east-west winds, stagnation points, numbers as a function of latitude, mergers, break-ups, cloud morphologies, internal distributions of vorticity, and signs of rotation with respect to both the planet's rotation and the shear of their surrounding east-west winds. Initial-value calculations in which the weather layer starts at rest produce oscillatory east-west winds. Like the Jovian winds, the winds are east-west asymmetric and have Karman vortex streets located only at the west-going jets. From numerical calculations we present an empirically derived energy criterion that determines whether QG vortices survive in oscillatory zonal flows with nonzero potential vorticity gradients. We show that a recent proof that claims that all QG vortices decay when embedded in oscillatory zonal flows is too restrictive in its assumptions. We show that the asymmetries in the cloud morphologies and numbers of cyclones and anticyclones can be accounted for by a QG model of the Jovian atmosphere, and we compare the QG model with competing models.     

固体火箭尾舱对流加热机理

对某型固体火箭尾舱热环境进行了研究,发现尾舱热环境存在明显的天地差异,通过数值仿真结果分析了对流热环境产生的机理.在真实飞行环境下,火箭尾舱外部绕流产生的激波和发动机喷流激波之间存在剪切层,剪切层与尾舱连通,在激波与剪切层的相互作用下形成非定常漩涡结构,是尾舱内对流加热的来源.剪切层的强弱与对流热流的大小密切相关,根据对流热流产生机理,对一种减小对流热流的结构形式进行了研究,通过减弱火箭尾部的剪切层,大幅减小了对流热流,固体火箭尾舱热环境得到明显改善.      

一维周期与准周期排列沟槽结构的流体减阻特性研究

本文设计了具有相同平均沟槽密度的三种排列类型的一维沟槽结构: 密排列、周期间隔排列和两种准周期间隔排列, 并采用数值模拟和实验验证相结合的方法研究了一维沟槽结构在不同排列下的流体减阻特性. 模拟计算分析流场特征和总阻力, 发现相对于密排列和周期间隔排列的沟槽结构, 准周期间隔排列具有更好的减阻特性, 并且这一结果得到减阻实验的验证. 通过流场分布特性进一步分析沟槽结构的减阻机理. 机理分析发现高速流在经一维准周期结构的扰动波调制后形成了准周期间隔排列的速度条纹相, 这有效地抑制了大涡在流向和展向上的形成, 从而实现较大幅度的减阻. 同时对比分析沟槽排列结构调制展向涡和流向涡各自对流动减阻的贡献, 结果表明, 调制流向涡对减阻的作用更大. 关键词： 流体减阻 沟槽结构 准周期     

Long-lived planetary vortices and their evolution: Conservative intermediate geostrophic model

Large, long-lived vortices, surviving during many turnaround times and far longer than the dispersive linear Rossby wave packets, are abundant in planetary atmospheres and oceans. Nonlinear effects which prevent dispersive decay of intense cyclones and anticyclones and provide their self-propelling propagation are revised here using shallow water equations and their balanced approximations. The main physical mechanism allowing vortical structures to be long-lived in planetary fluid is the quick fluid rotation inside their cores which prevents growth in the amplitude of asymmetric circulation arising due to the beta-effect. Intense vortices of both signs survive essentially longer than the linear Rossby wave packet if their azimuthal velocity is much larger than the Rossby wave speed. However, in the long-time evolution, cyclonic and anticyclonic vortices behave essentially differently that is illustrated by the conservative intermediate geostrophic model. Asymmetric circulation governing vortex propagation is described by the azimuthal mode m=1 for the initial value problem as well as for steadily propagating solutions. Cyclonic vortices move west-poleward decaying gradually due to Rossby wave radiation while anticyclonic ones adjust to non-radiating solitary vortices. Slow weakening of an intense cyclone with decreasing of its size and shrinking of the core is described assuming zero azimuthal velocity outside the core while drifting poleward. The poleward tendency of the cyclone motion relative to the stirring flow corresponds to characteristic trajectories of tropical cyclones in the Earth's atmosphere. The asymmetry in dispersion-nonlinear properties of cyclones and anticyclones is thought to be one of the essential reasons for the observed predominance of anticyclones among long-lived vortices in the atmospheres of the giant planets and also among intrathermoclinic eddies in the ocean.     

双组分混合流体中Eckhaus不稳定调谐的行波对流

在双组分混合流体的Rayleigh-Bénard对流系统中，数值模拟获得了周期性时空位错缺陷调谐的扩展行进波对流状态.研究了该状态的时空演化特性.结果表明，Eckhaus不稳定触发的对流涡卷对的产生是调谐的起源，对流涡卷在边界处生成与湮没频率的不同，又使系统返回不稳定区域，系统在稳定与不稳定的波数之间振荡.还探讨了一个周期内传热与混合特性的改变及其控制参数的变化规律. 关键词： 双组分混合流体 行波对流 时空位错缺陷 Eckhaus不稳定调谐     

高超声速椭圆锥边界层横流转捩特性大涡模拟

横流效应显著影响高超声速飞行器的三维边界层转捩过程, 深化对该流动机制的认识有助于提升和改善飞行器气动性能及热力学环境. 针对HIFiRE5椭圆锥绕流问题, 采用大涡模拟方法计算分析了超声速边界层横流转捩特性, 并揭示其中的流动机理. 参考HIFiRE5风洞模型试验条件, 数值模拟中椭圆锥来流入口处施加人工速度扰动以激发边界层内不稳定扰动波, 进而预测了高超声速边界层流动横流失稳、转捩过程等基本流动特征, 并基于转捩热流分布形态对比, 获得了与试验数据基本吻合的计算结果. 研究发现, 椭圆锥中心线流动汇聚形成的流向涡结构非常容易失稳, 另外在中心线及侧缘之间的中部区域存在较强的横流不稳定性, 两种机制共同作用影响边界层转捩过程. 此外, 分析了来流扰动幅值对边界层横流失稳转捩的影响, 并发现静来流条件下, 横流区域出现两组独立的定常横流涡结构, 而强噪声来流条件下, 中心线主涡和中部横流涡均发生失稳转捩, 且在椭圆锥表面形成多峰状的转捩阵面. 最后, 深入分析流场的压力脉动动力学特性, 揭示了三维边界层发生失稳转捩的非线性演化机制.      

Vortex formation and frequency tuning of periodically-excited jet diffusion flames

This paper presents an experimental study on the vortex formation and frequency tuning of jet diffusion flames under periodic excitations. The state-of-art laser diagnostic techniques were applied to provide temporally-resolved measurements for flame and flow structures. The results show that the fame surface deformation is synchronized with the convection of the inner vortex rings (IVRs), demonstrating the crucial role of IVRs in affecting the flame dynamics. The quantitative study on vortex formation and evolution is intended to understand two mechanisms: how the IVR forms, and how it is tuned to the forcing frequency of the perturbed fuel. The qualitative agreement between the predicted circulation growth and experimental data verifies the relevance of the classical starting vortex jet model in addressing the current problem, indicating the vortex growth is mainly dictated by the shear layer of the upstream fuel. The vortex tuning is closely related to the detachment of the main IVR, which is attributed to a secondary “razor vortex” when the shearing between the fuel jet and the coflow switches direction.     

数值分析环形池硅熔体旋转-热毛细对流及其稳定性

数值模拟了内半径20 mm、外半径40 mm、深5 mm环形池内硅熔体在旋转和热毛细力共同驱动下的热对流,通过线性稳定性分析确定了旋转-热毛细对流失稳的临界Marangoni数等临界条件。研究结果表明,液池低速旋转会降低轴对称热毛细对流的稳定性,而较高速度的旋转能增强热毛细对流的稳定性。临界条件下旋转-热毛细对流耗散结构波纹的传播方向与液池的旋转方向相同,临界周向波数随旋转速度的增加而增加。在较大的旋转速度下,液池底部出现涡胞,底部涡胞对热毛细对流的稳定性具有削弱作用。