地球物理流体力学简介

地球物理流体力学,是流体力学的一个古老而又年青的独立分支。研究内容包括:地球大气、海洋、河流、地幔等的动力学,海洋大气相互作用,以及分层流体、旋转流体的一般理论等。它具有尺度大,需要特别重视密度(或熵)的不均匀性,重力与科里奥利力的作用等特点。虽然,早在一两个世纪以前,就不断有许多流体力学家注意研究与地球科学相关的      

对流边界层湍流特性的数值研究

采用大涡模拟方法研究了存在逆温层的情况下大气对流边界层的湍流特性。实际大气边界层中出现逆温层是较常见的，逆温层会导致大气边界层湍流结构的变化，从而影响大气的湍流扩散和输运特性。本文比较了不同逆温梯度的工况，着重分析了逆温层对边界层中热量逆梯度输运（counter gradient heat transportation，CGHT）的影响。计算结果表明：逆温梯度越大，对流边界层的发展越受到抑制；逆温层高度降低会影响整个对流边界层的温度抬升；逆温梯度越大，垂直速度方差越小；在逆温梯度较大的情况下，其逆梯度输运区域要略微低一些，初步分析认为是由于逆温层对热对流的抑制造成的；对于逆温层高度不同的情况，高度越低的逆温层对逆梯度输运的抑制作用更明显。     

强吸气旋转圆筒壁面湍流边界层建模及计算

提出了湍流边界层的一种简单、快速计算方法, 用以求解强吸气作用下旋转圆筒表面边界层流动. 首先, 理论分析了同心圆筒间的旋转流体运动, 外筒静止、内筒旋转且为多孔吸气条件. 强吸气情况下旋转流动主要表现为内筒壁面附近的边界层流动, 基于这一事实得到了周向速度分布的解析表达式. 其次, 通过引入新参数扩展Cebeci-Smith代数湍流模型, 使其能考虑流线曲率、壁面吸气、低Reynolds数效应等因素. 针对这些因素的综合影响, 采用解析修正和经验参数对模型进行调整. 同时, 基于Reynolds应力湍流模型的仿真结果, 校准代数湍流模型中的经验参数. 最后, 给出基于广义Cebeci-Smith湍流模型的旋转壁面边界层流动的迭代算法, 该算法适用于需要特殊迭代过程的轴向及周向流动均匀情况. 计算了不同旋转速度和吸气强度组合工况下的边界层流动, 其周向速度和湍流强度分布与基于Reynolds应力湍流模型的计算结果非常接近. 并且表明, 当Reynolds应力湍流模型数值模拟预测内筒边界层为稳定层流时, 该方法也再现了相同初始条件下的层流边界层.      

MODELLING AND CALCULATION OF THE TURBULENT BOUNDARY LAYER ON A ROTATING CYLINDER SURFACE WITH STRONG SUCTION 1)

提出了湍流边界层的一种简单、快速计算方法, 用以求解强吸气作用下旋转圆筒表面边界层流动. 首先, 理论分析了同心圆筒间的旋转流体运动, 外筒静止、内筒旋转且为多孔吸气条件. 强吸气情况下旋转流动主要表现为内筒壁面附近的边界层流动, 基于这一事实得到了周向速度分布的解析表达式. 其次, 通过引入新参数扩展Cebeci-Smith代数湍流模型, 使其能考虑流线曲率、壁面吸气、低Reynolds数效应等因素. 针对这些因素的综合影响, 采用解析修正和经验参数对模型进行调整. 同时, 基于Reynolds应力湍流模型的仿真结果, 校准代数湍流模型中的经验参数. 最后, 给出基于广义Cebeci-Smith湍流模型的旋转壁面边界层流动的迭代算法, 该算法适用于需要特殊迭代过程的轴向及周向流动均匀情况. 计算了不同旋转速度和吸气强度组合工况下的边界层流动, 其周向速度和湍流强度分布与基于Reynolds应力湍流模型的计算结果非常接近. 并且表明, 当Reynolds应力湍流模型数值模拟预测内筒边界层为稳定层流时, 该方法也再现了相同初始条件下的层流边界层.     

在1.4米航空风洞中模拟大气边界层

在风洞中正确模拟大气边界层的流动特性是风工程风洞试验结果可信的必要条件,本次试验研究的目的是在短试验段的航空风洞中建立大比例的大气边界层模拟流场。通过适当的方式延长1.4m×1.4m航空风洞的试验段长度,并利用尖塔、粗糙元等边界层发生装置,在该风洞中建立了边界层流场,测量了流场的平均风速剖面、湍流强度剖面、脉动风速的自相关系数、风谱等参数,讨论了湍流积分尺度的处理和大气边界层几何模拟比例的确定,用谱拟合法和自相关系数积分法求出了湍流积分尺度。结果分析表明:试验所得流场是合理的大气边界层模拟流场,其平均风速剖面幂指数α=0.3,大气边界层模拟比例为1∶500,为后续的建筑物模型动态风荷载试验提供了前提条件。     

基于雷诺应力模型的平衡大气边界层模拟

基于雷诺应力湍流模型（简称RSM模型）,研究了平衡大气边界层风场数值模拟问题．假设流体不可压,且不计雷诺应力输运方程中的对流项、浮力产生项、系统旋转产生项和扩散项,在准各向同性的条件下,推导出RSM模型湍动能k的表达式是标准k-ε模型k常数表达式的0.893倍．考虑k沿高度变化的修正,根据在标准k-ε模型中满足水平均匀性的湍流来流边界条件,提出在RSM模型中产生平衡大气边界层的湍流来流边界条件．基于空风洞的数值模拟结果表明,与工程上常用的湍流来流边界条件相比,基于本文提出的湍流来流边界条件得到的风场水平均匀性更优,且在整个流域内,得到的雷诺应力剖面更合适．从而验证了该湍流来流边界条件的适用性．     

锥体效应对超音速湍流边界层统计特性的影响

通过直接数值模拟,计算了空间模式下,来流马赫数为2.5, 半锥角为$5^{\circ}$, 零攻角的绝热钝锥湍流边界层,研究了湍流的统计特性,并把结果与超音速平板湍流边界层和马赫数为6的高超音速钝锥湍流边界层的结果进行了比较,重点定量地考察了锥体效应对边界层湍流统计特性的影响. 研究发现,锥体效应对平均温度剖面以及压缩性的影响是显著的;而其它统计量,比如速度壁面律、雷诺应力的分布和湍动能各项的贡献等,受锥体效应的影响很小.      

曲率和旋转对离心叶轮叶片上湍流边界层的影响

本文将曲率和旋转项引入二维湍流边界层动量方程中,导出动量损失厚度的积分关系式。分析了曲率和旋转对湍流结构的直接影响,并提出壁面速度分布律的修正表达式。     

大气边界层的一些空气动力学特征

本文在定常和中性温度层结条件下,首先介绍了均匀平坦地面上大气边界层的一些空气动力学特征,并将大气边界层与一般空气动力学边界层作了比较。然后介绍了地面粗糙度分布有阶跃变化以及非平坦地形上的大气边界层特征。文中说明,气流的平均流场结构以及湍流特性与均匀平坦地面的情形相比有显著不同。最后,提出了一些有待今后进一步研究的问题。      

大气边界层模拟的湍流相似

大气边界层的风洞模拟,是目前研究建筑物风载,污染质的大气扩散,以及解决某些环境科学和军事科学中大型课题的重要手段之一。在许多国家,风洞模拟已成为环境部门设计大型工程、林区、厂区和城区规划的主要依据。最初的大气边界层模拟装置,仅考虑形成一定的平均风速廓线,并未考虑到气流的湍流特性。微气象学的研究表明,大气的湍流特性是影响扩散的主要因素。特别是Monin和Obukhov通过大量实测资料提出大气表面层中的相似性理论,成为研究大气扩散的重要依据。从50年代开始,一些研究大气扩散和建筑物风载问题的长实验段风洞相继筹划和建立。其中较著名的有,美国科罗拉多州立大学的1.8米×1.8米×30米的回流式长实验段气      

大气边界层内羽流扩散研究

主要研究了高架点源的污染,即``羽流扩散'. 由于大气边界层内的湍流运动,引 起污染物扩散的主要因素是湍流扩散, 研究湍流扩散有两种基本方法：统计理论和梯度理论. 采用拉格朗日粒子扩散模型 (Lagrangian particle dispersion model, LPDM)来评价羽流扩散的平均浓度,分别计算了表征扩散程度的3个参数：沿烟轴方向的 着地浓度、水平方向的羽流扩散宽度和垂直方向的羽流扩散宽度. 从计算结果和风洞实验的 数据对比来看,用该模式可以较好地模拟大气边界层内复杂气候条件下的羽流扩散.     

湍流研究国家重点实验室研究动态

湍流研究国家重点实验室研究动态梁彬北京大学湍流研究国家重点实验室,北京１００８７１湍流研究国家重点实验室一直是以基础研究为主,着眼于湍流发生发展的机制,从理论、计算和实验方面进行研究．实验室也兼顾应用基础研究,在环境流体力学、大气边界层模拟和风工程研...      

湍流边界层大尺度相干结构空间相位平均拓扑

湍流边界层大尺度相干结构(large-scale coherent structure,LSCS)是目前湍流边界层研究的热点之一.湍流边界层中存在大尺度相干结构均是通过各种谱的低波数峰值证实的,而对大尺度相干结构各种物理量的空间拓扑形态及其发展演化规律还缺乏研究.应用高时间分辨粒子图像测速多相机阵列系统,测量湍流边界层...     

用平均速度剖面法测量壁湍流摩擦阻力

用IFA300恒温热线风速仪精细测量风洞中不同雷诺数流动条件下的平板湍流边界层近壁区域对数律平均速度剖面．利用平板湍流边界层近壁区域的对数律平均速度剖面与壁面摩擦速度、流体黏性系数等内尺度物理量的关系和壁面摩擦速度与壁面摩擦切应力的关系,在准确测量平板湍流边界层近壁区域对数律平均速度剖面的基础上,测量平板湍流边界层的壁面摩擦阻力．实现了平板湍流边界层壁面摩擦阻力的无干扰或微小干扰测量．该种方法操作简便,不需要在流场中安装测力天平、传感器等复杂的测量装置,不需要对湍流边界层的壁面进行破坏,不会影响湍流边界层壁面附近区域原有的流场条件,是一种切实可行的测量平板湍流边界层壁面摩擦阻力的简便方法．     

前向多翼叶轮流动分析及出口滑移的计算

本文分析了离心风机前向多翼叶轮内的流动特性,计算了跨叶片面内的理想流场和湍流边界层.用三次样条平滑和旋转坐标变换方法解决了用流线曲率法数值解大曲率流场时的收敛问题;用考虑旋转和曲率对流动结构影响的Richardson数修正理想流场.提出了一种予测叶片边界层分离及流动滑移的方法.     

平板湍流边界层的声辐射

基于平板湍流边界层的壁压起伏波数—频率谱 ,给出了一种湍流边界层声辐射的估算方法 ,并对光滑平板湍流边界层和平板表面粗糙度引起的湍流边界层声辐射进行了分析。结果表明 :湍流边界层声辐射是一种四极子声辐射 ,且其辐射声能集中于平板表面粗糙度引起的湍流边界层声辐射 ;光滑平板湍流边界层的声辐射也不可忽略。     

周期性扰动在湍流边界层中沿法向的衰减

在开口式循环水槽底部湍流边界层外区中引入周期性扰动,利用X型热膜探针对下游扰动进行测量。研究了湍流边界层中周期性人工扰动对湍流结构的影响,获得了人工扰动在湍流边界层中沿法向的衰减趋势。     

一类平衡大气边界层边界条件研究

基于标准k-ε湍流模型,首先利用湍流粘度方程和剪切应力在整个边界层内恒定的假设,推导出一类耗散率表达式,并根据常用的湍动能入口剖面方程以及平均风速剖面方程,计算获得相应的耗散率方程;然后在输运方程中添加自定义源项,通过已经确定的平均速度方程、湍动能方程、耗散率方程计算得到相应输运方程的自定义源项表达式,并进行空风洞数值模拟,从而得到了一类满足平衡大气边界层的来流边界条件．通过将这种边界条件与由湍流平衡条件得到的边界条件进行比较,表明本方法获得的边界条件更适用．并且,本方法无需考虑修正壁面函数和修正湍流模型常数,因而计算更为简单,可为平衡大气边界层的研究提供一种新的思路．     

水下湍流减阻途径分析

综述了壁湍流边界层分层结构及近壁区湍流猝发过程,对现有典型水下湍流减阻技术进行了较深入地总结.根据各类减阻方法的特点对水下湍流减阻方法进行了分类,并分析了各类减阻方法对壁湍流流场的影响特征,总结了维持或延长层流、干扰湍流"猝发"、壁面隔离、增大湍流阻尼和改变壁面物性等5种水下湍流减阻可行途径,为开展水下湍流减阻研究及发现新的减阻方法提供参考.     

稳定分层流动中湍流特性的研究综述

本文总结了近60 年来分层流动中湍流特性研究的成果. 主要从两个方面进行了综述:(1) 分层流动中湍流场的演变和混合. 在这方面主要分析稳定分层对湍流混合和湍流结构的影响, 以及混合层内湍流结构的特性和混合层的演化规律. (2) 分层流动中湍流的扩散和输运. 动量和标量的逆梯度输运特性是分层湍流研究的一个重要方向;分析分层对湍流扩散的影响. 并指出了一些值得今后进一步研究的方向.