周培源湍流理论概述

2022年是周培源先生（1902年8月28日—1993年11月24日）诞辰120周年,为怀念一代宗师,本文对周先生长达半个多世纪的湍流研究历程以及建立的湍流理论进行了概述,内容包括湍流“前模式理论”,涡旋结构的湍流统计理论,相似性理论和逐级逼近方法,最后就周先生对湍流研究做出的贡献进行了总结。     

旋转肥皂泡热对流能量耗散与边界层特性的数值模拟

将底部加热的半个肥皂泡作为一个新的热对流模型,结合了肥皂泡固有的球面与准二维特征,由此有助于理解行星大气流动中的复杂物理机制与热对流特性.本文使用直接数值模拟方法计算了旋转肥皂泡上的湍流热对流,研究了肥皂泡上的温度与黏性边界层以及拟热能和动能耗散规律.结合肥皂泡上温度场与速度场特征,分别根据温度脉动均方根最大值以及速度脉动边界处斜率延长线与最大值交点提出了肥皂泡上温度与黏性边界层的识别方法.研究发现,当肥皂泡从边界吸收能量时,拟热能耗散与动能耗散均集中在边界层中,肥皂泡上的温度边界层与黏性边界层厚度与瑞利数Ra存在明确的标度关系.相比经典Rayleigh-Bénrad对流(RB对流)模型,温度标度指数具有较为接近的结果,但速度标度指数存在一定的差异.此外,在混合区,均方根温度(T^*)随纬度(θ)具有近似T^*～θ^0.5的标度关系,这与RB对流模型及其相应的理论预测一致.最后通过能量平衡方程发现,肥皂泡上拟热能内耗散率ε0/T和动能内耗散率ε0/u比拟热能外耗散率ε1/T和动能外耗散率ε1/u大1个量级,拟热能与动能的内部耗...     

基于νt尺度方程的雷诺应力模型初步研究

雷诺应力模型一直是湍流模式理论研究的前沿和难点,而提高数值鲁棒性是其广泛开展工程应用的关键.借鉴经典的k-k L湍流模型,本文构造了一种新的ν_t尺度方程,并将其用于耦合SSG/LRR模式从而形成SSG/LRR-ν_t雷诺应力模型.通过零压力梯度湍流平板边界层、翼型尾迹流、超声速方腔流和NACA0012翼型45°迎角分离流动4个标准算例对新模型进行了验证与确认.同时,为了测试模型的数值鲁棒性,采用高精度数值格式对模型方程进行了离散求解,并与SA涡粘模型和SSG/LRR-ω雷诺应力模型进行对比.结果表明:ν_t尺度方程在黏性壁面边界严格为零,相比传统的ω尺度,具有更好的数值鲁棒性,从而可实现新模型与高精度数值格式的匹配并获得更好的网格收敛效率;新模型具备雷诺应力模型的传统优势,可对拐角流动进行很好的模拟;具备尺度自适应能力,对于非定常分离流动的模拟存在一定的潜力.     

典型地区大气光学湍流测量与模式研究

在东南沿海地区、合肥地区和西北干旱地区进行了常规气象参数和光学湍流的测量.从地域气候上分析三个实验点所具有的典型特征.分析了不同下垫面对近地面光学湍流强度的影响,提出了近地面和高空光学湍流估算方法,并探讨了光学湍流的预报模式.Bulk方法可用于估算陆地和海面上的Cn2.通过对输入参数进行适当调整,近地面湍流预报模式估算结果和实际测量结果在量级和变化趋势上较为一致.可以用常规气象参数估算光学湍流廓线,合肥上空的光学湍流可以用Hufnagel模式进行拟合.     

海洋大气湍流对激光通信系统性能的影响分析

大气湍流引起光波强度在光束截面内的闪烁,降低了激光通信系统的信噪比.应用基于Rytov近似的激光大气传输光强起伏理论模型,在局地均匀各向同性Kolmogolov湍流谱的假设条件下,对大气湍流引起的光强起伏进行了分析.并从信号检测理论出发,将大气湍流与激光通信系统误码率指标相结合.分析结果表明,在典型的海洋大气湍流环境下,以误码率指标衡量,随着C2n的增加,激光通信系统的有效作用距离大大缩短,当C2n达到5×10-15m-2/3时,通信的有效距离不足2 km,当C2n达到3×10-14m-2/3时,通信的有效距离降至1 km以下.     

海洋湍流下波长分集无线光通信系统性能分析

由于海水的吸收、散射衰减以及海洋湍流效应会引起水下无线光通信（Underwater wireless optical communication,UWOC）系统接收端光信号的闪烁,导致UWOC系统传输性能下降。基于Gamma-gamma分布的海洋湍流信道模型,根据海洋湍流参数和各向异性因子表示的等效结构参数,推导出波长分集UWOC系统中断概率（Outage probability,OP）与平均误码率（Bit error rate,BER）封闭表达式。研究分析随着各向异性因子的增加,具有不同波长分集阶的水下无线光通信系统中断概率与平均误码率的变化,比较接收端使用最佳组合（Optimal combining,OC）与等增益组合（Equal gain combining,EGC）技术的水下无线光通信系统平均误码率,并仿真不同海洋湍流参数、传输距离对波长分集UWOC系统性能的影响。数值结果表明,随着各向异性因子的增加,海洋湍流对水下无线光通信系统产生的影响逐渐减弱,使用波长分集技术的UWOC系统比无波长分集技术的UWOC系统中断概率与平均误码率明显改善。     

具有扭曲相位的部分相干矢量光束在海洋湍流中的传输特性北大核心CSCD

基于扩展的惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数(Wigner distribution function,WDF)相结合的方法,推导了部分相干扭曲矢量光束(partially coherent twisted vector beam,PCTVB)在海洋湍流中的M^(2)因子和角扩展的解析式。数值模拟表明:通过调控束腰宽度、扭曲因子、初始相干长度和波长能在一定程度上提高光束抗湍流能力。减少光束初始相干长度,增加波长和束腰宽度可使光束有更小的M^(2)因子,而增大扭曲因子的绝对值,使光束的M^(2)因子更小,光束的抗湍流干扰性更强。随着海洋湍流的温度方差耗散率与温度和盐度比率的减小,动能耗散率、各向异性因子的增加,海洋湍流对光束的影响变小,光束将具有更好的传输质量。     

激光大气传输数值模拟中对计算参量的选取

根据数值计算的抽样原则、传输介质的特性及传输效应等,对激光大气传输数值模拟中计算参量的选取进行了比较全面的分析,总结了选取计算参量时应遵循的基本要求.针对湍流效应、稳态热晕效应数值模拟中横向抽样网格间距和传输步长的选取分别进行了分析,并得到了这些计算参量与大气传输效应特征参量的关系,从而为激光大气传输的数值仿真提供依据.     

海洋大气湍流对海军光电装备性能的影响

依据观测数据给出沿海地区低层大气湍流的季节及日变化特征,以误码率、角跟踪精度以及调制传递函数和分辨率等作为衡量包括光通信设备、光电探测设备以及光电跟踪系统在海洋大气湍流环境下的性能指标,在局地均匀、各向同性Kolmogolov湍流谱以及Rytov近似假设的条件下进行了分析.结果表明:以误码率指标衡量,光通信系统的有效作用距离大大缩短;在中等湍流强度下,光电成像探测设备的湍流受限MTF及分辨率与系统的衍射受限MTF及分辨率相比存在着显著的差异,海洋大气湍流对短波、中波红外成像设备的影响已经大于衍射受限的影响,而对于长波的影响并不显著;在中等湍流强度下,相位起伏引起的角跟踪误差将从几微弧度上升到二十几微弧度.     

基于CL-IPPM的单光源逆向调制自由空间光通信系统

在单光源逆向调制(modulating retro-reflecto r,MRR)自由空间光通信(free-space optical,FSO)系统中,光收发端在接收MRR 端上行 再调制信号时,会受到自身下行信号的串扰,导致系统误码率性能恶化。本文提出采用组合 逻辑(combinatorial logic,CL)反向脉位调制(inverse pulse position modulation,IP PM)方案来消除下行信号对上行再调制信号的串扰,进而降低单光源MRR FSO通信系统误码 率。本项研究设计了基于CL-IPPM的单光 源MRR FSO通信实验装置,进行了仿真及全双工通信实验。实验结果表明,使用CL-IPPM 方案的单光源MRR FSO系统增益约5dB。同时,光收发端和MRR端均采用IPPM时, CL-IPPM方案可获得较好的误码率性能。此外,本文利用微角锥棱镜阵列的伪相位共轭特 性来提升该系统的鲁棒性,将CL-IPPM方案与微角锥棱镜阵列结合应用于单光源MRR FSO 通信系统,可实现弱/中湍流强度下误码率为10－3以下的全双 工通信。