大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室研究新进展

中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)主要从事地球流体(大气和海洋)宏观演变规律和机理的系统理论、     

大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室研究进展

2006年大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(State Key Laboratory Modelling forAtmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, LASG)在国家973项目、国家自然科学基金委重大、重点项目、创新研究群体科学基金、院创新团队国际合作伙伴计划项目、院方向性项目等的资助下, 在天气气候动力学、气候模式发展、可预报性研究、上层海洋－低层大气生物地球化学与物理过程耦合研究和计算地球流体力学等方面取得重要进展.      

地球物理流体动力学的发展和室内实验研究的影响

系统介绍了大气、海洋与新兴的地质系统中的流体力学,尤其是通过室内实验的研究进展．详细描述了诸如羽流、湍流、卷挟、异重流、海洋环流、混合层、双扩散、盐指、锋面、岩浆库、地幔对流、板块运动、热斑等有趣的地球物理现象,它们对于了解因浮力引起的对流的机理是十分重要的．同时在气候、环境、灾害、成矿等领域有广泛的应用．论文反映了在 Ｇ．Ｉ． Ｔａｙｌｏｒ, Ｇ．Ｋ． Ｂａｔｃｈｅｌｏｒ领导下剑桥研究组的风格──通过小型室内实验了解机理,再用应用数学方法求解问题,他们对流体力学的发展作出了重大贡献．     

Rayleigh-Bénard湍流热对流研究的进展、现状及展望

对流现象广泛存在于恒星和行星里.在地球上,对流现象在诸如大气、海洋、地核和地幔等众多动力学系统中起着重要作用.Rayleigh-Bénard(RB)湍流热对流系统是从这些复杂的自然现象中抽象出来的研究对流问题的经典流体力学模型.本文主要从湍流传热、羽流、大尺度流动结构、速度和温度脉动的小尺度统计和非传统RB对流等几个方面着重评述近年来RB对流的若干研究新进展,并对今后的研究做出展望.     

ADVANCES AND OUTLOOK IN TURBULENT RAYLEIGH-BENARD CONVECTION

对流现象广泛存在于恒星和行星里.在地球上,对流现象在诸如大气、海洋、地核和地幔等众多动力学系统中起着重要作用.Rayleigh-Bénard（RB）湍流热对流系统是从这些复杂的自然现象中抽象出来的研究对流问题的经典流体力学模型.本文主要从湍流传热、羽流、大尺度流动结构、速度和温度脉动的小尺度统计和非传统RB对流等几个方面着重评述近年来RB对流的若干研究新进展,并对今后的研究做出展望.     

环境流体力学 (上)

1.本文讨论了环境流体力学的一般领域和这个研究课题的应用。2.在理论、计算、物理模拟和现场研究方面,评述了大气和海洋中流体流动的一些问题。因为它们对于环境问题实际上很重要。例如在表面层、混合层、空气流过粗糙度不断变化的表面和流体流过沙波或海湾岩床等情况下出现的分层效应。3.也讨论了人类活动和环境的相互作用产生的一些流体力学问题。例如作用在建筑物上的定常流动、振荡流动和旋涡流动的流体力(简略涉及波能);障碍物的绕流和下游流动(包括高层建筑物附近风对人的影响);空气中(包括稠密气体的影响)和水道中(也括“热”污染)污染物的扩散。      

高温气体动力学近况

最近本刊相继登载了几篇关于流体力学的文章,介绍国外在这方面的研究动向,其中提出了流体力学作为科学的一门分支是否就要过时这样的问题。特别是今年七月份美籍中国学者林家翘谈到,美国在空气动力学方面从前那种轰轰烈烈的局面已经不存在了,一些原来的流体力学工作者也已转向大气、海洋等方面。对于这些说法引起了不少议论。      

综述:流体力学基础研究的需要

关于流体力学基础研究的长期需要问题。征询了工程界一部分人的意见。其中包括活跃在美国机械工程师协会(ASME)中的传热和流体力学委员会中的大约600人。近200人作了回答,给出了有关需要研究的有用资料。从许多课题中发现有六个领域比较突出:湍流;多相流;流体与结构的相互作用;边界层效应;生物、地球和环境流体的流动;新设备和改进仪器的需要。总结出这六个领域并作为研究重点的初步估计,提交给在1979年2月1—2日在肯塔基大学举行的美国能源部和工程师协会能源委员会召的流体力学和热过程专题讨论会。本文包括了研究重点的阐述和专题讨论会的最终结果。      

An important fundamental concept of °uid mechanics

不可压缩流体是流体力学的一个重要基本概念,但在流体力学教学的过程中,不可压缩流体与不可压缩均质流体这两个概念经常被混淆,在一些流体力学的教科书中,这两个概念也常被混为一谈,其关键是对物质(随体)导数这个概念理解不正确. 本文对不可压缩流体与不可压缩均质流体这两个重要的流体力学概念进行了辨析,并以此为切入点,介绍了如何理解物质(随体)导数、时间导数、空间导数等概念的区别与关系,澄清了一些教科书中的错误论述.     

海洋湍流

1979年5月于比利时举行了两个重要科学会议:第2届海洋湍流学术讨论会和第11届地球物理流体力学列日学术讨论会。两个会议都讨论海洋湍流      

Teaching method of some basic concepts in fluid mechanics

基于作者多年来在流体力学课程教学中的经验和体会,结合授课班级学生反馈回来的信息,对流体力学课程中关于流体质点与流体微团、连续介质假设、牛顿内摩擦定律、不可压缩流体等几个学生普遍反映抽象难懂的基本概念的教学方法进行了总结,希望对学生在学习这些内容时能够有所帮助,同时为其他教师在讲授流体力学课程时提供参考.     

有相变的颗粒群-气体系统的多相流体力学

研究有相变(蒸发、燃烧)的颗粒群-气体系统的多相流体力学、对探讨大气中的云雾,反应堆安全的冷却,火炮的发射,固体火箭尾喷管的流动,各种液雾、金属粉、煤粉与空气的混合与燃烧,煤粉的气化,流态化燃烧,燃烧产物中烟粒的生成与清除,以及各种喷雾冷却、喷雾干燥过程等等都有重要意义。随着计算机技术、数值计算方法及计算流体力学、计算传热学、计算燃烧学的发展,已逐渐有可能对工程中各种实际的有多相流体的装置建立数学模型,进行数值计算,对各种流动、传热、传质的参数作出预估,从而减少实验研究的工作量,这就促使多相流体力学得到了不断发展。      

矩形截面直管的磁流体力学流动

一、前言 外加磁场平行于电极平面的导电流体内部流动,是一类重要的磁流体力学管道流动问题。在实用上,研究这类问题可以为磁流体力学直接发电器、电磁泵、电磁流量计等工程磁流体力学课题提供理论分析的依据。在理论机理上,研究壁面的电势间断在流场中     

大气动力学的一些问题

大气动力学和流体力学的关系人类生活在地球上的大气圈里,气候状态和天气变化影响着人类的生产活动和社会活动.所谓气候,就是大气状态和大气运动的长期(例如多年以及上百年)的统计平均状态;所谓天气或气象就是指发生在大气圈中的物理-力学(有时甚至是物理-化学)现象,其中尤以大气的热力状态和 ...     

基于侵入混沌多项式法的随机多孔介质内顺磁性流体热磁对流不确定度量化

目前流体流动与传热问题的研究大都基于确定性工况条件,而现实流体流动与传热问题中存在着大量不确定性因素,计算流体力学的不确定性量化提供了一种理解流体物性、边界条件与初始条件等不确定性因素对模拟结果影响的能力.为揭示随机多孔介质内顺磁性流体热磁对流的传播规律与演化特征,本文发展了一种基于侵入式多项式混沌展开法的热磁对流不确...     

物理增强的流场深度学习建模与模拟方法

流体运动理论上可用Navier?Stokes方程描述, 但由于对流项带来的非线性, 仅在少数情况可求得方程解析解. 对于复杂工程流动问题, 数值模拟难以高效精准计算高雷诺数流场, 实验或现场测量难以获得流场丰富细节. 近年来, 人工智能技术快速发展, 深度学习等数据驱动技术可利用灵活网络结构, 借助高效优化算法, 获得对高维、非线性问题的强大逼近能力, 为研究流体力学计算方法带来新机遇. 有别于传统图像识别、自然语言处理等典型人工智能任务, 深度学习模型预测的流场需满足流体物理规律, 如Navier?Stokes方程、典型能谱等. 近期, 物理增强的流场深度学习建模与模拟方法快速发展, 正逐渐成为流体力学全新研究范式: 根据流体物理规律选取网络输入特征或设计网络架构的方法称为物理启发的深度学习方法, 直接将流体物理规律显式融入网络损失函数或网络架构的方法称为物理融合的深度学习方法. 研究内容涵盖流体力学降阶模型、流动控制方程求解领域.      

气象流体力学研究的若干问题

自从50年代初大型数字电子计算机问世后,天气预报方法发生了一次飞跃,出现了定量化的数值天气预报方法。这种方法,确切地应称为天气预报的流体力学方法,因为它的理论基础本质上是流体力学的。由于大气运动是发生在科里奥利旋转力场中的,在运动过程中又存在着各种形式的能量间的转化,再加上有下垫面边界条件在运动学和能量供给方面的约束,比起一般经典流体力学所研究的对象来,大气运动有它自己的特殊性。因此,不妨称气象学中研究大气运动的动力学部分为气象流体力学。本文主要就其中与数值天气预报的发展有关的若干问题作一简单介绍。     

化学流体力学简介

化学流体力学是指有化学反应发生的流体力学。是研究单相或多相流体流动时,流体内部的动量传递,热量传递,质量传递以及化学反应过程之间的基本规律的学科。了解和发展这门学科,可深入探讨发动机和工业      

小行星撞击地球的超高速问题

小行星撞击地球是人类生存面临的潜在威胁之一.在小行星进入地球大气与撞击地球表面过程中,存在烧蚀、解体、空中爆炸、火球、撞击成坑、反溅碎片云、地震以及海啸等一系列复杂的物理化学和力学现象.本文梳理和归纳了与这些现象相关的超高速空气动力学问题和超高速碰撞动力学问题.小行星进入地球大气的超高速空气动力学问题有:极高速($V = 12 ~ 20$km/s)进入条件下的气动力与轨迹,极高速进入条件下的小行星气动加热与烧蚀机理,极高速气动加热条件下的小行星结构传热与热响应,极高速进入条件下的高温气体效应,小行星进入过程的物理特征.小行星撞击地球的超高速碰撞动力学问题有:陆地撞击成坑与反溅碎片云,海洋撞击与海啸,撞击过程的地震效应.由于小行星撞击地球与超高速飞行器的再入过程在速度、材料和结构上存在较大差异,针对这些超高速问题,现有的研究手段在地面试验和数值计算两方面都存在不足.最后,从小行星进入地球大气的弹道方程、质量损失方程、解体判据和解体模型等出发,初步建立了小行星进入与撞击效应分析评估模型,并对Chelyabinsk和Tunguska两次流星事件进行了分析,重构了进入与爆炸解体过程,评估了空爆火球在地面所导致的超压和热辐射损伤.      

小行星撞击地球的超高速问题

小行星撞击地球是人类生存面临的潜在威胁之一.在小行星进入地球大气与撞击地球表面过程中,存在烧蚀、解体、空中爆炸、火球、撞击成坑、反溅碎片云、地震以及海啸等一系列复杂的物理化学和力学现象.本文梳理和归纳了与这些现象相关的超高速空气动力学问题和超高速碰撞动力学问题.小行星进入地球大气的超高速空气动力学问题有:极高速(V=12～20 km/s)进入条件下的气动力与轨迹,极高速进入条件下的小行星气动加热与烧蚀机理,极高速气动加热条件下的小行星结构传热与热响应,极高速进入条件下的高温气体效应,小行星进入过程的物理特征.小行星撞击地球的超高速碰撞动力学问题有:陆地撞击成坑与反溅碎片云,海洋撞击与海啸,撞击过程的地震效应.由于小行星撞击地球与超高速飞行器的再入过程在速度、材料和结构上存在较大差异,针对这些超高速问题,现有的研究手段在地面试验和数值计算两方面都存在不足.最后,从小行星进入地球大气的弹道方程、质量损失方程、解体判据和解体模型等出发,初步建立了小行星进入与撞击效应分析评估模型,并对Chelyabinsk和Tunguska两次流星事件进行了分析,重构了进入与爆炸解体过程,评估了空爆火球在地面所导致的超压和热辐射损伤.