大气光学湍流模式研究——方法和进展

分层是大气湍流特别是高空湍流显著特征.在某一固定高度真实光学湍流C_n²值在平均值上有1—2个量级甚至更大的起伏.以观测数据建立的湍流廓线模式,是一个统计平均的结果.既不能代表某次实际大气湍流廓线的分层特征,也没有预报功能,不能完全满足光学工程需求.受限于计算机的容量和速度,无法通过DNS (direct numerical simulation)以及LES (large eddy simulation)求解Navier-Stokes方程来预报光学湍流,解决方案是通过中尺度天气数值预报模式MM5/WRF,预报出常规气象参数,再由湍流参数化方案计算出C_n².本文介绍了近地面层、边界层和自由大气层C_n²预报方法和研究成果,从湍流动能预报方程和温度脉动方差预报方程详细推导出Tatarski公式,归纳出该公式所隐含的物理意义和适用条件.重点介绍了神经网络预报C_n²和C_n²估算和预...     

大气光学湍流模式研究:Cn2廓线模式

由于大气湍流的存在,当光束在大气中传播时会发生相位起伏、光强闪烁等一系列湍流效应现象,严重制约光电系统的性能,是造成天文观测困难的主要原因.大气折射率结构常数C_n²廓线是评估大气湍流效应的重要参数.本文归纳了几种有代表性的C_n²廓线模式,提出了修正的CLEAR I夜晚模式;分析了高美古、拉萨、大柴旦、茂名、荣成等5个实验点探空测量数据,给出了5个实验点算术平均拟合的C_n²廓线公式;计算了各模式和测量数据在波长为0.5μm时的大气相干长度r0、视宁度εFWHM、等晕角θ0、相干时间τ0、等效高度h和等效风速V等大气光学参数以及各大气层C_n²递减率和不同大气层湍流贡献百分比.重点对H-V(5/7)模式的存疑、 C_n²廓线模式采用的平均方法、低平流层C_n²是否具有统一的递减率等问题进行讨论并给出答案.     

利用超声风速仪阵列估算近海面光学湍流强度

在中国南部热带海域,基于超声风速仪阵列测量的大气三维风速可计算得到速度结构常数C_v²,结合折射率梯度可计算得到折射率结构常数C_n²,其中温度和湿度对C_n²的影响是通过折射率梯度体现。将超声单点虚温估算方法的计算结果作为标定,与本研究的超声风速仪阵列估算方法的144次计算结果进行相关性分析,得到平均相关系数为0.85,最高可达0.99,最低为0.71;通过误差分析,可得平均|Δlg C_n²|为0.3。研究表明：超声风速仪阵列能够捕捉高频光学湍流效应的变化情况,利用超声风速仪阵列估算近海面光学湍流强度可以从风速、湿度、温度等不同方面分析湍流效应,实现在无人值守情况下对光学湍流的连续、长期的全天候观测。     

双曲余弦高斯列阵光束在湍流大气中的光束传输因子

本文推导出了双曲余弦高斯(ChG)列阵光束在湍流大气中的光束传输因子( M ^{2因子)的解析公式,并采用相对 M 2因子研究了湍流对 M 2因子的影响.研究表明,在湍流大气中 M 2因子不再是一个传输不变量,湍流使得 M 2因子增大.非相干合成情况下, M 2因子随着传输距离、光束参数、相对子光束间距和子光束数目的增大而增大.相干合成情况下, M 2因子随光束参数和相对子光束间距的增大呈现振荡上升.相干合成情况下的 M 2因子比 关键词： M2因子)')" href="#">光束传输因子(M2因子) 光束质量 双曲余弦高斯列阵光束 大气湍流}     

大气湍流对轨道角动量态复用系统通信性能的影响

通过数值仿真,以多个相位屏模拟大气湍流,研究大气湍流对轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)态复用通信系统质量的影响.改变大气湍流折射率结构常量C2n和传输距离z,分析其对OAM态复用系统归一化接收功率、误码率等的作用.研究结果表明当大气湍流强度增加和传输距离增长时,复用系统归一化接收功率下降、误码率增加.当C2n增大到5×10-13 m-2/3时,系统归一化接收功率下降到0.2以下,误码率增大到0.3以上;当传输距离增大到10 000m,系统归一化接收功率下降到0.3以下,误码率增大到0.35以上.同时,对比不同方位角指数l取值的两个OAM态复用系统受大气湍流的影响,发现:l取值越接近的系统,受大气湍流影响越大.在等同光学信噪比下大气湍流导致OAM态复用系统误码率性能降低2至3个数量级.该研究对OAM态复用系统的实用化具有积极的参考作用.     

基于局部非热平衡模型的发汗冷却过程的数值模拟

本文对水平槽道内发汗冷却建立了包括主流区、多孔壁面区和致密壁面区在内的完整的物理模型和数学描述, 对耦合传热过程开展了数值模拟,对平板发汗冷却的机理进行了深入的研究。研究表明:发汗冷却减小了壁面处的速度梯度,使下壁面边界层明显增厚;随着冷却流体的注入,壁面处的湍流应力明显增大;湍流应力的最大值向没有发汗冷却的壁面一侧偏移,并且增加了最大湍流应力;边界层的增厚使得发汗冷却区域壁面摩擦阻力系数降低。随着冷却剂流量的增大,壁面温度也随之下降;数值模拟结果与实验结果较好地吻合。     

大气湍流对多抖动法相干合成技术中相位调制信号的影响

分析了大气湍流对采用多抖动法实现的相干合成阵列光束中相位调制信号的影响. 文章首先根据广义惠更斯-菲涅耳原理,采用折射率结构函数对大气湍流进行描述,推导了多抖动法相干合成中阵列光束通过大气湍流后相位调制信号的一般表达式. 在此基础上进行数值模拟,分析了传输距离、湍流强度、光束阵列占空比和光斑尺寸等因素对相位调制信号的影响. 研究发现随着传输距离的增大,相位调制信号强度会先增大后减小,存在一个极大值点;随着湍流强度的增强,相位调制信号强度极大值点的出现距离不断缩短;当光束阵列占空比一定时,随着光斑尺寸的增大 关键词： 大气湍流 相干合成 多抖动法 相位调制     

部分相干双曲余弦厄米高斯光束在非Kolmogorov大气湍流中的传输特性

基于广义Huygens-Fresnel原理和非Kolmogorov大气湍流折射率起伏谱密度函数, 采用Wigner分布函数的二阶矩方法, 推导出了在大气湍流中传输的部分相干双曲余弦厄米高斯光束束宽和M²因子的解析表达式. 研究表明: 相对束宽和归一化M²因子随传输距离的增大而增大; 光束阶数越大、相干长度越小、双曲余弦参数越小, 相对束宽和归一化M²因子受大气湍流影响越小; 相对束宽随束腰宽度的增大存在极大值, 在一定的相干长度范围内, 归一化M²因子随束腰宽度的增大存在极小值; 相对束宽和归一化M²因子随广义指数的变化均存在极大值, 随内尺度的增大而逐渐减小, 随外尺度的增大几乎没有变化.     

高斯-谢尔模光束在大气湍流中传输的相干特性研究

文章分析了高斯-谢尔光束在大气湍流中传输时相干长度的变化, 并与真空传输做比较, 真空传输相干长度的变化只与光源参数有关, 大气湍流中传输相干长度的变化受光源参数和湍流的共同影响. 真空传输光束扩展造成相干长度增大; 大气湍流中, 传输距离较短时, 相干长度由于光源扩展而增加, 当传输距离较大时, 湍流效应增强引起相干长度下降. 因此, 单纯从相干长度方面分析大气湍流带来的影响不够完备. 为排除光源扩展影响, 利用相干长度与光斑尺度的比值进行分析, 发现大气湍流会造成比值的下降. 在数值仿真的基础上对上述结果给出了解释. 关键词： 部分相干 大气湍流 高斯-谢尔模 光束扩展     

部分相干双曲余弦高斯光束通过湍流大气的光束扩展

基于广义惠更斯-菲涅尔原理，并采用将部分相干双曲余弦高斯光束用厄米-高斯光束的非相干叠加表示的方法，研究了部分相干双曲余弦高斯光束通过湍流大气的光束扩展问题，推导出了部分相干双曲余弦高斯光束通过湍流大气均方根束宽的解析表达式.研究表明，部分相干双曲余弦高斯光束的扩展随着湍流大气的折射率结构常数C²_n和光束离心参数δ的增大而加剧.但是，随着δ的增大，部分相干双曲余弦高斯光束受到湍流的影响减小. 关键词： 部分相干双曲余弦高斯光束 湍流大气 光束扩展     

湿斜压热动力耦合强迫激发辐合增长和暴雨维持的一种机制

打破将散度演化分析局限于水平动力学框架内的传统认识思维,针对大气的斜压性与层结特征将对大气运动散度场演化产生显著影响的事实,从湿斜压原始方程出发,将大气的斜压热力作用通过热力学方程引入散度方程,在替换平衡近似（alternative balance）下,导出了显式包含湿非地转Q矢量与垂直风切变耦合强迫作用的新型散度方程.阐明了潮湿大气中非地转斜压强迫激发散度场演化的物理机制,为利用常规观测资料诊断散度场演化提供了一种有效的数学工具.通过对流层中低层气柱内总体辐合增长影响因子的分 关键词： 暴雨天气 散度演变 正压非平衡强迫 湿斜压热动力耦合强迫     

大气温度分布特性及对折射率结构常数的影响

影响大气湍流运动强弱和时空结构的因子比较复杂,大气中平均流场和大气温度的分布都是不均匀的,特别是沿垂直方向的大气温度分布,决定着垂直方向的热力不稳定性和湍流的强弱。观测事实表明,随着季节和天气条件的不同,大气温度垂直分布有很大的变化。通过对我国安徽合肥地区整层(0～20km)大气温度的观测资料的分析,得到了大气温度的垂直分布廓线和统计特性模式误差廓线;大气折射率结构常数Cn^2是表示大气光学湍流强度的一个重要参量,但大气折射率的测量较为困难,因此通常先测量温度起伏量,再用平均的温度和气压来计算得到Cn^2。通过对温度和气压模式误差的分析,可以计算得到Cn^2结果的误差,重点分析大气温度分布特性及由此带来的模式误差,并讨论其对计算Cn^2的影响。     

利用气象要素估算海洋大气近地层光学湍流

基于近地层相似理论以及极端层结下对该理论的修正,建立了海洋大气近地层光学湍流估算模型,并进行了数值分析。结果表明:当气温与海温相差较大时,温度起伏对光学湍流贡献最大;当气温与海温相差较小时,海面湿度越小,光学湍流越强;在较低湿度条件下,尤其在红外窗区,湿度扰动对光学湍流贡献起支配作用。当气温小于海温时,光学湍流先随海面风速增大而增强,后随风速增大而减弱;当气温大于海温时,光学湍流总体上是伴随海面风速增大而减弱。当气温小于海温或与海温接近时,与可见光和近红外波段相比,红外窗区光学湍流显著偏强;当气温远大于海温时,两波段光学湍流接近。在中性和近中性层结下,大气折射率结构参量C2n依赖于垂直高度的负幂指数接近-2/3,伴随海面大气层结稳定度或不稳定度增强,C2n依赖于垂直高度的负幂指数的绝对值分别逐渐减小或增大,并分别趋近于稳定极限下的0或不稳定极限下的-4/3。     

基于M2因子测量的大气湍流参数的确定方法

基于广义惠更斯-菲涅尔原理以及大气湍流理论,推导出部分相干光束在大气湍流中传输的光束传输M ^{2因子的解析表达式.定量分析了表征大气湍流参数的折射率结构常数 C2_n}和涡旋内尺度 l _{0对 M ^{2因子的影响,并由此提出了一种通过实验测量大气湍流中光束的 M 2因子,进而确定出大气湍流参数的新方法.研究结果表明,由于大气湍流对相干性好的光束影响更为明显,在测量中可采用具有高相干性的基模高斯光束作为测量光源,而测量装 关键词： 2因子')" href="#">光束传输 M 2因子 大气湍流参数 湍流折射率结构常数 湍流涡旋内尺度}}     

稳定分层二层流非湍流/湍流层无平均剪切密度界面处的湍流

采用湍流统计理论、谱分析和快速畸变理论研究稳定分层二层流非湍流/湍流层无平均剪切密度界面处的湍流.分别在密度界面厚度（h）可忽略和很薄两种情况下,推导出任意理查森数（Ri）Ri→∞时,湍流层中水平、垂直方向速度的欧拉频谱和水平、垂直方向均方根速度的积分表达式.在h可忽略情况下：（1）任意Ri,Ri→∞时,密度界面对大尺度涡的影响显著,而对小尺度涡几乎无影响;距离密度界面越近,湍流层中水平方向均方根速度增大而垂直方向均方根速度减小;（2）任意Ri且在无量纲频率较大时,密度界面处、湍流层中水平、垂直方向速度的欧拉频谱满足-5/3幂次律,但是,它们不收敛于同一直线,表明密度界面处部分湍流转化为内波.在h很薄的情况下：（1）在水平方向上密度界面对湍流无显著的影响;湍流层中垂直方向速度的欧拉频谱出现过渡区,不满足-5/3幂次律,其幂次律增大,表明湍流过渡区的能量减少,但是,密度界面对线性小尺度涡仍几乎无影响;（2）距离密度界面越远,密度界面厚度对湍流的影响减弱并且偏向于线性中尺度涡;当远离密度界面时,过渡区消失,表明考虑密度界面厚度后密度界面对湍流的影响范围有限;（3）密度界面处垂直方向速度的欧拉频谱的幂次律减小,表明密度界面处线性内波的能量向线性低频区集中;（4）随着密度界面厚度增加,密度界面处垂直方向速度的欧拉频谱在整个线性内波频域里等幅度减小,湍流层中垂直方向速度的欧拉频谱只在线性低频区域减小且减小的幅度随着频率增大而减小;密度界面对湍流层中水平、垂直方向均方根速度影响的垂向范围随Ri增大而减小.     

涡轮叶片前缘阵列冲击冷却流动及传热特性数值研究

本文采用SST湍流模型模拟了类前缘通道内蒸汽射流阵列冲击冷却的流动与传热特性,分析了雷诺数(Re=10000~50000)、孔径比(d/H=0.5~0.9)和孔间距比(S/H=2~6)对流动及传热性能的影响规律,得到了相应的传热和摩擦关联式。结果表明:在不同雷诺数下,d/H从0.5到0.9变化时,通道压力损失系数降低了76%~79%,靶面平均努塞尔数降低了45%~49%;S/H从2增至6时,通道压力损失系数增加了1.64~1.92倍,靶面平均努塞尔数增加了54%~64%;增大d/H、减小S/H可有效提高类前缘通道蒸汽冲击冷却的综合热力系数。本文研究结果可为未来先进燃气轮机高温涡轮叶片蒸汽冷却结构的设计提供参考和借鉴。     

部分相干平顶光束通过湍流大气传输的等效曲率半径

推导出了部分相干平顶光束在湍流大气中传输的等效曲率半径的解析表达式,详细地研究了湍流对其等效曲率半径的影响.研究表明,湍流使得等效曲率半径R减小,但是只有当湍流足够强时等效曲率半径极小值出现的位置z_min才会改变.在弱湍流中,R随着光束相干长度β的增大而增大;但是在强湍流中,R随着β的增大而减小.R随着光束阶数M(N)的增大而缓慢减小.若β越大、 关键词： 等效曲率半径 湍流 部分相干平顶光束     

湍流对部分相干双曲余弦高斯光束的瑞利区间的影响

推导出了部分相干双曲余弦高斯光束在自由空间和湍流大气中传输瑞利区间的解析公式,并研究了湍流对光束瑞利区间的影响.研究表明,部分相干双曲余弦高斯光束的瑞利区间由湍流强度和光束参数等因数共同确定.湍流使得光束的瑞利区间缩短,并且湍流越强瑞利区间越短.在自由空间中,瑞利区间随光束相干参数 α 、光束参数 β 和高斯束宽 w ₀的增大以及波长 λ 的减小而增大.但是, α,β 和 w ₀越小以及 λ 越大,瑞利区间受湍流的影响越小.并且,当 关键词： 瑞利区间 部分相干双曲余弦高斯光束 大气湍流 自由空间     

燃尽风率对新型W火焰锅炉主燃区气固流动特性的影响

针对采用偏心旋流二次风燃烧技术的300 MWe旋流燃烧器W火焰炉,借助1/10冷模试验台,通过三维激光颗粒动态分析仪测量研究了不同燃尽风率下其主燃区内气固流动特性。随着燃尽风率减小,拱下回流区内回流速度不断增加,且回流区尺寸不断增大。随着燃尽风率由25%减小到10%,在分级分区域,颗粒的最大竖直速度由2 m/s增大到4 m/s.燃尽风率由20.3%减小到10%,拱下回流区内气固两相竖直脉动速度明显增大,气固两相湍流强度将不断增大.在乏气和分级风区域,燃尽风率15%下最大颗粒体积流率是燃尽风率20.3%的2至2.7倍,拱上气流下冲深度明显增加.随着燃尽风率减小,下冲颗粒开始折转向上的位置被推迟,下炉膛空间利用率将不断增加.     

TAGSM光束在大气湍流中传输

基于广义惠更斯－菲涅耳原理,利用部分相干光复曲率张量研究了有扭曲的各向异性高斯－谢尔模型光束在湍流大气中的传输规律.根据有扭曲的各向导性高斯-谢尔模型光束在大气湍流中传播距离z处的部分相干复曲率张量给出了光束参量的表达式和详细的数值计算结果.结果表明：大气湍流减缓了光束扭曲参量随传播距离的衰减趋势,增大了主方向上的波前曲率的峰值,而且大气湍流退化了光束的相干性,使得光束扩展严重;光源扭曲参量大小和相干性也都会影响TAGSM光束在大气湍流中传输时各个光束参量的变化规律.