对流边界层顶部光学湍流的室内模拟研究

对流边界层顶部夹卷层是边界层和自由大气之间的过渡带,夹卷层的湍流结构是其主要特征之一。由于夹卷层的位置较高,进行精细结构观测很难,对此认识较少。利用尺寸为150 cm×150 cm×60 cm室内对流水槽模拟了大气对流边界层的发生和发展。将准直光通过模拟对流边界层,根据光在湍流介质中的传输理论得到混合层顶部夹卷层的温度结构常数的特点,在夹卷层内,归一化的温度结构常数满足相同的规律;在高度0.8zi处,温度结构常数最小,随着高度增加,温度结构常数增大,zi处达最大,然后又随着高度减逐渐小,在高度1.2zi处湍流消失。在边界层顶部zi处,归一化的温度结构常数处于一定的变化范围,归一化温度结构常数处于0.08~0.3之间,这可能与夹卷层的大尺度结构有关。     

模拟的对流边界层光学湍流的特征尺度分析

边界层作为地面与自由大气的过渡带对人类活动影响很大。边界层湍流结构尤其是夹卷层的湍流特征,是边界层研究的一个重要方面,这对于加深对边界层的认识以及研究边界层参数化具有十分重要的意义。由于边界层上部位置较高,难以进行精细结构观测。在室内对流水槽(150cm×150cm×60cm)中模拟了大气对流边界层的发生发展。将准直光通过模拟对流边界层得到光斑图像数据。利用改进协方差法对光斑图像进行功率谱分析,找出功率谱密度最大值所对应的频率即峰值频率,峰值频率对应的波长为涡的特征尺度。研究结果表明,在混合层,峰值波长较小,说明此处混合比较均匀,小尺度结构占主导地位。而夹卷层的峰值波长较大。夹卷层的平均峰值波长与对流Richardson数存在一定的关系,这种关系受下垫面类型以及对流状况的双重影响。     

大气边界层各向异性的室内模拟研究

边界层的各向异性研究对于了解实际大气的湍流特性和经典理论的适用范围均具有较大的意义。利用室内水槽实验模拟了实际大气边界层,使用小波变换方法分析了对数光强起伏谱的特征,将获得的标度指数与理论值进行比较,结果表明混合层在水平方向较为接近各向同性,而垂直方向则呈现一定的各向异性。     

热力非均匀下垫面对流边界层流场结构特征研究

利用对流水槽成功模拟热力非均匀下垫面对流边界层的发生发展.仿照数值模拟中常用的马赛克方法在对流水槽的底部铺了一些导热率缓慢的材料(橡胶薄板),使下垫面的加热存在差异,进而产生非均匀加热.利用温度廓线和准直光系统共同决定边界层顶部的位置和对流速度尺度.采用PTV测量技术获得高精度的二维流场,看到流场具有复杂的空间结构和尺度特征.相对于均匀下垫面来说,底部的非均匀加热使得混合层湍流的组织性得到加强,具有稳定的环流结构.非均匀下垫面对流边界层的方差随高度的变化曲线与均匀下垫面的特征明显不同.为了分析非均匀下垫面对流边界层的环流特征和水平输送对湍流变化的贡献,计算了湍流动能的湍流输送.计算结果表明,加热开始不久,由于不同下垫面的的温差较大,水平输送也较大;而当一段时间后,温差变小,水平输送也变小了.由此可以看出非均匀下垫面对流边界层的水平输送依赖于下垫面的非均匀强度.     

对流水槽温度场和速度场的测量

根据室内模拟大气边界层的需要，开发了适合于水中温度场和速度场测量的快速响应设备。采用铂电阻传感器多探头测量温度场，速度场采用片光源流动显示及PTV数据处理技术。温度和速度测量设备响应快，分辨率高，为室内模拟研究提供了可靠的实验手段。文中分析了温度和速度测量的系统误差和偶然误差，并提出了速度测量改进方法。     

对流边界层夹卷通量参数化的室内模拟研究

大气对流边界层室内模拟是大气边界层研究的一种常用手段.利用室内对流水槽(150cm×150cm×60cm)模拟了大气对流边界层,以实验获取的平均温度廓线数据和光斑图像为基础对夹卷通量进行了参数化研究.通过分析由光斑图像得到的折射率结构常数廓线获取边界层的结构,然后通过平均温度廓线计算下垫面和混合层顶的热通量.从而计算夹卷通量参数化结果,并以此对理想模型下的边界层发展进行了计算,其结果与水槽模拟的情况较一致.     

对流边界层夹卷通量参数化的室内模拟研究

大气对流边界层室内模拟是大气边界层研究的一种常用手段。利用室内对流水槽(150cm×150cm×60cm)模拟了大气对流边界层,以实验获取的平均温度廓线数据和光斑图像为基础对夹卷通量进行了参数化研究。通过分析由光斑图像得到的折射率结构常数廓线获取边界层的结构,然后通过平均温度廓线计算下垫面和混合层顶的热通量。从而计算夹卷通量参数化结果,并以此对理想模型下的边界层发展进行了计算,其结果与水槽模拟的情况较一致。     

模拟的对流边界层大气闪烁频谱特性研究

边界层是地面与自由大气的过渡带,对人类活动有重要影响.由于边界层上部位置较高,进行精细结构观测很难.在室内对流水槽(150 cm×150 cm×60 cm)中模拟了大气对流边界层的发生发展.将准直光通过模拟对流边界层得到光斑图像数据,对光斑图像数据进行频谱分析.根据光在湍流介质中的传输理论确定无标度区间得到边界层各高度处的标度指数.研究表明,均匀下垫面标度指数在混合层基本在-8/3左右,接近各向同性湍流的理论值.而夹卷层的标度指数,实验初期严重偏离理论值,但在实验后期,由于对流剧烈也逐渐接近-8/3,此时夹卷层也趋于混合均匀.夹卷层平均标度指数与对流Richardson数存在一定的关系.标度指数廓线随高度的变化特点与同时刻的热通量廓线和归一化光强方差廓线有比较一致的对应关系.     

夹卷层大尺度相干结构运动特征的室内模拟研究

大尺度相干结构是大气边界层中一种重要的物理现象。本文利用室内水槽模拟方法模拟对流边界层的发生发展,利用实验获取的光斑图像对夹卷层大尺度结构进行了研究。通过分析实验采集的光斑图样中大尺度相干结构的闪烁特性,发现其对应于光斑中长而亮的条纹,而在闪烁指数廓线中对应于峰。根据大尺度结构的这种闪烁特征,本文提出了一种空间相关方法计算其垂直平均速度,并对大尺度结构的运动特征进行了分析,结果表明,边界层顶部热泡以缓慢运动为主,其驱动了边界层顶部的发展。     

大气边界层各向异性的室内模拟研究

 边界层的各向异性研究对于了解实际大气的湍流特性和经典理论的适用范围均具有较大的意义。利用室内水槽实验模拟了实际大气边界层,使用小波变换方法分析了对数光强起伏谱的特征,将获得的标度指数与理论值进行比较,结果表明混合层在水平方向较为接近各向同性,而垂直方向则呈现一定的各向异性。