湍流效應(yīng)效應(yīng)照片

德國馬克斯·普朗克綜合技術(shù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究所、美國康奈爾大學(xué)、法國國家科研中心實(shí)驗(yàn)室、丹麥里索國家實(shí)驗(yàn)室的專家成功觀察到，在強(qiáng)湍流情況下粒子是如何運(yùn)動(dòng)的，實(shí)驗(yàn)是利用專門研制的高速照相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行的。

在所示照片中表示某些粒子在湍流中的軌跡，圖中的顏色表示粒子的速度，藍(lán)色表示粒子緩慢的速度，紅色表示快速，綠色表示中等速度。在另一幅照片中表示在湍流中移動(dòng)的大量聚苯乙烯小球（直徑25微米），照片是在綠色激光照明下拍攝的。

觀察到的粒子性能很符合巴特切羅爾條件，根據(jù)巴特切羅爾條件能描述地球上幾乎全部的湍流運(yùn)動(dòng)。另外，在渦流中從一個(gè)地方流出的粒子分離實(shí)際要比理論上緩慢很多。

大氣湍流效應(yīng)造成大氣折射率的隨機(jī)起伏，使接收光信號(hào)閃爍、漂移，相當(dāng)于引入了很大的隨機(jī)噪聲，使誤碼率增加。

大氣湍流效應(yīng)引起的接收光信號(hào)閃爍，可以用多光束同步發(fā)射和大孔徑光學(xué)接收天線來減少其影響。多光束同步發(fā)射是用幾個(gè)不同位置(相距200mm左右)的激光器發(fā)送同樣的信息，此舉顯然能夠增加信號(hào)的可靠性，但成本也會(huì)相應(yīng)增加。2100433B

重顆粒在湍流渦離心力和重力作用下，可表現(xiàn)出聚團(tuán)和焦散效應(yīng)（流場(chǎng)中同一點(diǎn)對(duì)應(yīng)多個(gè)不同的顆粒速度）等顯著特征，從而影響顆粒碰撞率及物理或化學(xué)反應(yīng)速率。它們是顆粒對(duì)在湍流作用下相對(duì)擴(kuò)散的結(jié)果。我們采用直接數(shù)值模擬的方法求解各向同性湍流場(chǎng)，采用拉格朗日方法跟蹤顆粒，其中顆粒采用點(diǎn)力模型，同時(shí)考慮顆粒與湍流、顆粒與顆粒間4向耦合作用。重力的引入使得顆粒與各向同性湍流的作用時(shí)間變得各向異性。主要研究?jī)?nèi)容包括：不同湍流雷諾數(shù)、顆粒Stokes數(shù)及重力Froude 數(shù)下(1)顆粒聚團(tuán)、顆粒相對(duì)速度和焦散效應(yīng);(2)顆粒的時(shí)間正向、反向相對(duì)擴(kuò)散時(shí)間的非對(duì)稱性；（3）相對(duì)速度概率密度函數(shù)動(dòng)理學(xué)方程中各向異性擴(kuò)散系數(shù)的構(gòu)建；（4）反卷積與隨機(jī)微分方程耦合的顆粒亞格子模型等。課題預(yù)期結(jié)果對(duì)加深理解沉降速度、顆粒慣性對(duì)湍流相對(duì)擴(kuò)散、顆粒聚集和焦散效應(yīng)及提高大渦模擬預(yù)測(cè)相對(duì)擴(kuò)散的精度等方面有重要的科學(xué)意義。

攜帶顆粒的湍流在人們?nèi)粘Ｉ?、環(huán)境和工業(yè)流動(dòng)中廣泛存在，例如河流中泥沙的輸運(yùn)，大氣中污染物的擴(kuò)散，大氣中雨滴的形成，發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧燃燒等。研究湍流中的重顆粒在湍流渦結(jié)構(gòu)離心力和重力雙重作用下的聚團(tuán)、相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及焦散效應(yīng)（流場(chǎng)中同一點(diǎn)具有多個(gè)不同的顆粒速度）機(jī)理具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。我們采用直接數(shù)值模擬的方法求解各向同性湍流場(chǎng)，采用拉格朗日方法跟蹤顆粒，其中顆粒采用點(diǎn)力模型。主要研究?jī)?nèi)容包括不同湍流雷諾數(shù)、顆粒Stokes數(shù)及重力Froude 數(shù)下顆粒聚團(tuán)、顆粒相對(duì)速度和焦散效應(yīng)的物理機(jī)制；顆粒的正向、反向相對(duì)擴(kuò)散時(shí)間的非對(duì)稱性；反卷積與運(yùn)動(dòng)學(xué)合成湍流的顆粒亞格子模型等。通過該項(xiàng)目，我們提出了沉降顆粒對(duì)在湍流中沉降特征時(shí)間尺度模型，并利用該時(shí)間尺度提出了一個(gè)依賴于沉降速度的等效Kubo 數(shù)的概念。在大Stokes 數(shù)，小Kubo數(shù)下，湍流中在重力作用下增強(qiáng)顆粒聚團(tuán)程度的機(jī)理是顆粒在無關(guān)聯(lián)的隨機(jī)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)過程中，在顆粒慣性和乘積放大機(jī)理作用下，顆粒的聚集增強(qiáng)。我們基于時(shí)間向后擴(kuò)散，研究了顆粒相對(duì)速度概率密度分布函數(shù)的變化趨勢(shì)。在大Stokes 下顆粒相對(duì)速度間歇性增強(qiáng)歸因于顆粒無法有效分離，顆粒對(duì)傾向于遍歷間歇性更強(qiáng)的小尺度湍流結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致顆粒的相對(duì)速度的間歇性增強(qiáng)。在小Stokes 數(shù)下，顆粒的聚集程度變?nèi)?，顆粒分布更加均勻，顆粒對(duì)遍歷流場(chǎng)速度梯度也更加均勻，使得顆粒相對(duì)速度的間歇性變?nèi)酢?2100433B

湍流在空氣動(dòng)力學(xué)中指的是短時(shí)間(一般少于10min)內(nèi)的風(fēng)速波動(dòng)。為了有效地描述風(fēng)，將它認(rèn)為是通過天氣、晝夜、季節(jié)的平均風(fēng)速和湍流的風(fēng)速波動(dòng)疊加構(gòu)成的。這些風(fēng)速波動(dòng)的周期一般為一到幾個(gè)小時(shí)，在10分鐘，湍流波動(dòng)的平均值為零。

湍流產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè):一個(gè)是當(dāng)氣流流動(dòng)時(shí)，由于地形差異(如山峰)造成的與地表的摩擦或者阻滯作用;另一個(gè)是因?yàn)榇髿鉁囟炔町惡涂諝饷芏炔町愐鸬臍饬鞔怪绷鲃?dòng)。通常這兩種原因彼此影響。例如，當(dāng)氣流經(jīng)過高山時(shí)就會(huì)被迫流向溫度較低的地區(qū)，這時(shí)氣流與大氣環(huán)境的熱平衡被打破，引起風(fēng)速波動(dòng)。

湍流顯然是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過程，并且不用簡(jiǎn)單明確的方程來表示，我們能可以通過統(tǒng)計(jì)規(guī)律來研究湍流。針對(duì)湍流統(tǒng)計(jì)規(guī)律的描述有很多，關(guān)鍵在于找出是湍流強(qiáng)度和陣能哪一種夠在實(shí)際工程中得到最好的應(yīng)用，最簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)描述就是湍流度和風(fēng)因子。其中，湍流強(qiáng)度是對(duì)湍流總體水平的度量。