湍流通量计算及其不确定性研究的新进展
湍流研究的现状和进展
湍流研究的现状和进展
湍流研究是一个广泛的领域，其中有许多不同的话题，需要不同的测量、数值建模和理论研究。
近年来，由于现代计算技术的进步，以及先进的测量设备的出现，湍流研究的发展取得了巨大的进展。
首先，科学家们开发出更为精细的流场数据，提高了对于湍流流场中流动结构的认识，例如，现在可以观测到湍流中的微小力矩和能量分布，并通过数值模拟得出更为详细的解释。
其次，科学家提出了一系列新的数值模型，更深入地探讨湍流的细节，以更合理地描述湍流的结构和性质。
结合传统的经验方法，这些数值模型使得对湍流的模拟更加准确，并且可以用于多种应用领域，例如自由混沌运动模拟、叶片流动计算、空气动力学分析、重力和磁场力分析等。
此外，近年来，学者们开发出了一系列新的控制策略，以改善湍流的流动性能。
这些策略的准备方法涉及精细的数值模拟，基于大量的实验测量数据，有效地改进湍流流场的特性，从而提高流体动力学的效率。
总的来说，近年来，湍流研究的发展取得了巨大的进展。
精细的数据和模型，以及新的控制策略，有助于更好地认识和控制湍流流场，进一步提高流体动力学性能。
近10年晴空湍流的研究进展
近10年晴空湍流的研究进展周林;黄超凡【摘要】晴空湍流是威胁航空安全的一种极端危险性天气,因其不伴有明显的天气现象,机载雷达难以探测,故对飞行安全威胁巨大,因此对于晴空湍流的形成机制与预警预报的研究十分重要.从晴空湍流的形成机制、晴空湍流的观测手段和晴空湍流的预报方法3个方面,对近十年国内外有关研究进行归纳和综述.重点引述了惯性重力波在晴空湍流形成中的重要作用、多种新型观测手段为晴空湍流研究提供宝贵的实况资料、基于湍流指数集成算法的晴空湍流数值预报等重要进展.本文对晴空湍流未来的研究趋势进行展望.【期刊名称】《气象科技》【年(卷),期】2015(043)001【总页数】6页(P91-96)【关键词】晴空湍流;观测手段;预报方法;研究进展【作者】周林;黄超凡【作者单位】解放军理工大学气象海洋学院,南京210000;解放军理工大学气象海洋学院,南京210000【正文语种】中文众所周知，气象条件对于航空飞行有着重大影响。
随着航空业飞速发展，飞行安全的保障日益紧要。
研究表明，影响飞行安全的主要天气现象有：大风和低空风切变、低能见度、湍流和飞机积冰等[1-5]。
湍流能引起飞机颠簸，严重降低乘员舒适度，剧烈颠簸甚至造成乘员受伤、飞机失控坠毁等灾难。
在由天气状况不佳引起的飞行事故中，起因是大气湍流的超过半数，因此遭遇湍流是造成机上人员受伤的首要原因，并造成巨大经济损失[6-7]。
其中，由于晴空湍流并不伴有可见的天气现象且尺度较小，机载气象雷达等设备难以探测，故对飞行安全造成巨大威胁[8-9]。
2007年7月6日, 由悉尼飞往广州的CZ322航班, 在菲律宾南部海域上空巡航高度上突遇晴空湍流, 飞机急速上抛后又急速下降十几米, 维持时间20多秒。
机上有人员飞离座位, 头部撞上机舱顶, 20多名乘客及机组成员头部或颈部受伤[4]。
2013年5月26日，一架新加坡航空公司的空客A380飞机在巡航至安达曼海上的万米高空时毫无征兆地遭遇重度晴空湍流，飞行高度急坠30多米，造成多人严重受伤。
湍流研究的现状和进展
湍流研究的现状和进展湍流（Turbulence）在自然界中是一种普遍存在的现象，比如水、空气、尤其是太阳系中天体运动活动等，湍流发挥着重要作用。
由于湍流具有复杂的运动性质和多变的影响因素，因此，人们对湍流的研究也不断进行，在这些研究中，湍流已经成为当今物理学领域研究最深入和最规模最大的一个问题。
湍流研究历史悠久，可以追溯至18世纪，早在1783年，英国著名科学家韦伯（Leonard Euler）就提出了湍流流体运动的基本方程，这是开启湍流研究的一大突破，在19世纪末期，爱因斯坦（Albert Einstein）又提出了湍流方程，许多人因此而贡献出宝贵的研究成果。
20世纪初期，由于科学技术的进步，许多湍流理论的发展也得到了一定的突破。
比如在1920年，湍流特性的研究者林奈（L.F. Richardson）提出了一种新的理论，他指出湍流流体的混合过程可以用一个叫做“级数混合”的方法来模拟，而这一理论在过去的90多年里一直是湍流研究的重要参照物。
20世纪40年代，湍流研究又迎来了一次重要突破，即近似动态子网格技术（Dynamic Subgrid Model），它允许人们用计算机来模拟湍流使其变得更易于理解和操作。
此外，由于空间和时间分辨率不断提高，磁摆式技术（Magnetic Momentum Method）也发展出来，它结合了积分方程和分流技术，从而可以模拟更加复杂的湍流。
《孤立圆柱的湍流结构与稳定性》是20世纪50年代湍流研究的一次重要发展。
有关研究者发现，当流体以一定的速度流过一个垂直的圆柱时，湍流的漩涡结构会呈现出特定的稳定态，并且周围的空气流动会影响其稳定性，从而揭示了湍流及其稳定性的本质特性。
20世纪80年代以来，随着大计算机技术的发展，湍流研究进入了一个新的阶段，开展了大规模的实验测量和计算机模拟研究，用实验和计算机模拟研究的结果来检验理论模型。
在近30年的研究中，许多新的湍流理论也得到了发展，比如湍流与风洞、燃烧和内部流动机理等，都有了进一步深入的研究。
湍流的现代实验研究方法
湍流的现代实验研究方法作者：徐斌来源：《沿海企业与科技》2009年第09期[摘要]湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动，其复杂性使得其研究工作进展缓慢。
随着现代电子计算机技术和实验测量方法的进展，湍流的实验研究方法取得了重大进展。
文章简要介绍在热能工程领域使用热线热膜风速仪、激光多普勒风速仪、相位多普勒风速仪和粒子图像测速仪等测量技术对湍流进行测量和研究的应用。
[关键词]湍流；实验研究；热能工程[作者简介]徐斌，广东省电力设计研究院，广东广州，510663[中图分类号]TP27[文献标识码]A[文章编号]1007-7723(2009)09-0013-0003一、前言湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动，其各种物理参数都随时间与空间随机变化。
从物理结构上说，可把湍流看成是由各种不同尺度的涡旋叠合而成的流动，这些旋涡的大小及旋转轴的方向分布是随机的。
流体内部共尺度涡旋的随机运动构成了湍流的一个重要特点：物理量的脉动。
对湍流的研究已超过一百年了，人们发展出了如统计理论、边界层计算理论等多种湍流基础理论。
但因为湍流物理量的脉动特性，过去通过实验只能测得其时均值，无法测得其脉动值，所以人们至今未能掌握湍流的基本机理。
随着现代电子计算机技术和实验测量方法的进展，湍流的实验研究得到了重大进展。
特别是热线热膜风速仪、激光多普勒风速仪、相位多普勒风速仪和粒子图像测速仪等测量技术的应用，使得测量湍流流动中各物理量的脉动值成为可能。
这些先进的湍流实验研究方法，不仅被用于湍流基础理论研究，也被大量应用在工程领域的湍流流动测量，能更好地解决工程实际问题。
本文简要介绍热线热膜风速仪、激光多普勒风速仪、相位多普勒风速仪和粒子图像测速仪四种湍流实验仪器的原理及其在热能工程领域对于湍流测量和研究的应用。
二、热线热膜风速仪(HWFA)热线或热膜风速仪的敏感元件是一根细金属丝探针或敷于玻璃材料支架上的一层金属薄膜元件。
第 四章湍流2012
35
1.介绍
1.6 雷诺应力
比较N-S方程和雷诺方程，雷诺方程里面
' ' 出现了一项： ui u j , x j
这项来源于脉动运动对平均运动的影响。
雷诺应力：
ij u u
' i
' j
36
1. 介绍
1.6 雷诺应力
总应力： T p 2 e u ' u ' ij ij ij i j
42
q
2
'2 u1
2. 湍流半经验理论
1.2 普朗特混合长度理论
• 气体分子运动论 • 动量传递 • 分子运动和碰撞
0.499c 平均自由程
• 湍流
无规则运动
动量输运
43
2. 湍流半经验理论
1.2 普朗特混合长度理论
考虑平行剪切流 q ( y) y
v'
y l
q ( y l)
3.5 CH JL k- SST YS CMOTT SHIH TS Exp. 3.0
2.5
P/P1
2.0
1.5
surface pressure of 2-D Compcompression corner M=2.84
1.0 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2
s(m)
4
1.介绍
2-D压缩拐角摩擦力分布M=2.84
U U 1 j i eij 2 x x i j
湍流压力：
1 ' ' pt ui ui 3
37
2. 湍流半经验理论
不同海况下六种湍流通量参数化方案的对比分析
年 Ｗａｇ等 Ｉ （ ｎ０ ）指 出 Ｌ ｕｓ方 案 中存有 不 足 ，并 提 出新 的湍 流通 量 输送 系数参 ｎ Ｗａｇ ２ ８ １ ｏｉ
数化 方 案 。
中图 分 类 号 ：Ｐ ３ ７１ 文献 标 识码 ：Ａ 文 章编 号 ：１０ ０ ３— ０ ３ （０ ７ ２９ ２０ ）２ — ０ ０ ０ ９— ０ ８
１ 引 言
半 个 多世 纪 以来 ，作 为近 地 层研 究 的基 础 ，Ｍｏ ｉ Ｏ ｕｈｖ『相似 理论 被 广 泛应 用 ｎｎ ｂ ｋｏ ｌ — １
含关 系 ，直 接对 湍 流 输送 系数 进 行参 数 化 。１８ ，Ｌ ｕｓ ９２年 ｏｉ等 （Ｔ ８ ）又 通 过 数值 试 Ｌ Ｇ２ 验 对 １７ ９ ９年 方案 中部分 参数 和 表 达 式进 行 了 改进 。至 今 为止 ，Ｌ Ｇ ２参 数 化 方案 因其 Ｔ ８
收稿 日期 ： ２０ —８Ｏ ０ ６０ 一Ｉ 基 金 资助 ： 家 自然科 学 基 金 重 点项 目 “ 北极 苔 原 和 海冰 地 区 边 界层 物 理 过 程 的观 测 研 究 （０ ３ ０ ２ ” 和 国家 自 ４３３３）
当 近 海 层 大 气 处 于 不稳 定层 结 时 ，Ｄ ｅ７ 案 计 算 的摩 擦速 度相 对 Ｅ ｙｒ４方 Ｃ直 接 测 量 值 的 归 一化
误差 最 小，仅为 ８ ７ ． ％，能 够较 好 的估 计近海 层 摩擦 速度 。在 稳 定层 结条 件下 ，当整 体 ４ Ｒｃａｄｏ ｉ ｒｓｎ数小于 ０１ ，除 Ｂ ｓ ｇ ｒ１ ｈ ．时 ｕｉ ｅ７ 方案外 ，其它五种 方案 的计算 误差接 近且较小 。 ｎ 关键词 ：摩擦速度 ；参数化方案； 海面状况
地表能量平衡
2.2.1 国际上湍流数据处理方法的研究进展
C.J.Moore 指出涡旋相关系统存在5%～10%的感热和潜 热通量频率损失，而动量通量有所增加，并提出一种方法 估算和修正这些损失。 Th.Foken，B.Wichura 指出由湍流脉动方程得到的物理 量通量表达式是理想微气象条件下方程简化的结果。对于 很多数值试验这些条件并不能很好的满足，特别是连续长 期的观测更容易出现问题。提出判断资料是否满足理想条 件的计算方法，并给出了一个描述湍流观测资料质量的方 案。同时也给出了一些方法解决由传感器架设等造成的误 差，以及使用湍谱分析得出合适的计算平均量的时长。 Dean Vickers ， L.Mahrt 利用对几个测站塔资料的分析 总结出了比较完整的对湍流原始资料进行质量控制的详细 方法。
评价的发展依然未能解决能量不闭合问题，分析 认为这种能量不闭合很可能是由于半小时时间尺 度不能涵盖低频湍流通量的贡献所致。
2.2.2 国内湍流数据处理方法的研究进展
国际上对于湍流资料质量控制的研究已有很多， 但是国内还存在一定的差距。 王介民提出我国应根据国际最新进展和部分台站资 料，制作较规范的湍流资料处理程序，并建立包括通 量源区分析的质量控制与保证系统。 于贵瑞等对全球、亚洲及中国生态网的建设和分布 情况进行了一定的分析。 孙晓敏等选择中国通量网的其中两个站点，分析了 其下垫面上涡旋相关法应 采用的平均周期，结果显 示对于日变化的研究，选择10min平均周期结果较好， 而对于长期研究采用30min平均周期计算结果较好。
地表湍流通量计算 方法的研究综述
高原山地气象研究 2010年3月
2010/11/22
Байду номын сангаас
作者：张烺 李跃清 李 英 1 ． 中国气象局成都高原气象研究所， 成都 610071 2 ． 云南大学资源环境学院大气科学系， 昆明 65009
湍流的理论与实验研究
湍流的理论与实验研究湍流的理论与实验研究湍流是流体力学界公认的难题，被认为是经典物理学中最后一个未被解决的问题。
自然界和工程领域的绝大多数流动都是湍流，因此湍流研究具有重大意义。
近年来，随着实验测量技术和数值模拟能力的不断增强，学术界对高雷诺数和高马赫数湍流有了许多新的认识。
我国科学界也结合国家重大战略需求和学科发展前沿，分析国际上湍流研究的特点、现状和发展趋势，希望对湍流产生机制和流动本质进行深入研讨，加强与航空、航天、航海等相关单位和部门间的沟通与联系，推动湍流研究的发展。
针对国内学科发展现状，尤其是实验研究相对薄弱的特点，国家自然科学基金委员会数理科学部、工程与材料科学部和政策局，于2014年3月20-21日在北京联合举办了第110期双清论坛，论坛主题为“湍流的理论与实验研究”。
来自全国15个单位的近50位流体力学与工程领域的专家学者应邀出席。
与会专家通过充分而深入的研讨，凝练了该领域的重大关键科学问题，探讨了前沿研究方向和科学基金资助战略。
本期特刊登此次论坛学术综述。
一、湍流研究的重要意义自1883年雷诺（Reynolds）发现湍流以来，湍流问题的研究一直困扰着众多学者。
著名物理学家费曼曾说，湍流是经典物理学中最后一个未被解决的难题；2005年《科学》杂志在其创刊125周年公布的125个最具挑战性的科学问题中，其中至少两个问题与湍流相关。
在我们日常生活中，湍流无处不在。
自然界和工程应用中遇到的流动，绝大部分是复杂的湍流问题。
在自然界，从宇宙星系的时空演化，到星球内部的翻滚流动，从大气环流的全球运动，到江河湖泊的区域流动，都有湍流的身影。
在工程领域，从陆地、海洋、空天等交通运载工具，到原子弹、氢弹、导弹、战斗机、舰船等国防武器的设计；从全球气象气候的预报，到地区水利工程的设计；从传统行业如叶轮机械、房桥建筑、油气管道，到新兴行业如能源化工、医疗器械、纳米器件的设计，都需要了解和利用湍流。
因此，湍流流动的研究不仅仅是一个学科发展的问题，更具有重要的工程应用价值。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
ECPACK (U. Wag.) (2004) TK2 (UBT) (2004), TK3 (Apl/2011), TK3b (Nov/2011) EddySoft (MPI) (2007) EdiRe (U. Ed) (2004), EdiRe 1.5.0.29 (Aug/2011) APAK (U. Org) (2003) ECO2S (U. Tuscia) (2010, 2011) EddyPro (Li-Cor) (Apr/2011), EddyPro 4.0 (Apr/2012) EddyUH (U. Helsinki) (Sep/2011) ......
涡相关方法
一个有60多年研究历史的老课题 一个不断发展与更新的新领域
湍流大气
地气间动量/热量/ 物质的通量交换直测
(G. Burba, 2007)
a u ' w '
H a CP w ' T '
E w ' w '
FC w ' C '
出版：2012年2月， by
观测与模式
模式
目的：将经验和局部认识上升为理论（更全面 的认识），包括时空扩展分析，以及预测， 适应性和决策应用研究等 挑战：模式总是某种简化从而是不完善的
理论上的局限与过程的缺失 不适当的输入参数与参数化方案 缺乏适当的检验 模式发展中的发散性和缺乏协调
模式与观测发展的非对称性（不协调性）
涡相关法通量计算分析软件
涡相关法通量观测，在微气象学界早已成熟。湍流资料 的后处理方法在本世纪初已有国际标准推荐。但‘协调’ 和‘统一’尚未实现，新的软件仍在不断涌现。原因：
有关理论及资料处理（修正）方法十分复杂 ；一些具体方法仍在讨论 中； 全球通量站发展迅猛；各站的生态环境和仪器条件及资料类别多有不 同；绝大多数站的人员缺乏必要的微气象学基础； 已发布软件极少满足‘免费’和‘开源’两个条件；一些软件‘用户 不友好’，或存在过多缺陷（包括适用范围窄）。 免费+开源。后者对专业用户尤其重要。 较好的通用性：可处理不同类型的原始数据；可输出多种湍流统计量 及质量控制标志，资料格式易于交换。
湍流通量计算及其不确定性 研究的新进展
王介民
中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
jmwang@
Model-Data Fusion (MDF)
Reducing system variable differences between model and observations
J Wang 120420
u z 2 u z1 ram T T H a C P z1 z 2 rah
a CDU 2
H a CPCHU ( s a )
E aCEU (qs qa )
E a
q z1 q z 2 raq
Km,h,E = Turbulent
最新发布的软件强调：
涡相关方法通量观测与大气湍流本身的随机性、 多尺度性、涡动性、结构性等特征密切相关。
diffusion coefficients
ram,ah,aq = Aerodynamic
resistances
CD,H,E = Bulk Transfer
coefficients
Challenge: Estimation of the coefficients and/or resistances Good news：Up-to-date observations, esp. the eddycovariance technique, provide more accurate fluxes as well as related parameters.
例：Surface Layer Parameterization
Calculation of Fluxes
K theory
Resistance model
Bulk approaches
u a K m z T H a CP K h ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱz
E a
a
e Kv P z
主要作者：
M. Aubinet D. Papale C. Rebmann U. Rannik T. Vesala T. Foken A. Richardson R. Leuning, et al.
Main Chapters:
The Eddy Covariance Method Measurement & Site Design Data Acquisition & Flux Calcul. Corrections & Data QC Nighttime Flux Correction Data Gap Filling Uncertainty Quantification Footprint Analysis Eddy Covariance Meas. over Forest / Crops / Grasslands / Lakes / Urban Areas ... Database, Sharing, Collaboration
涡相关法通量计算分析软件
Kansas（1968）等经典实验的湍流资料处理 国内：中日合作黑河（1988-）及青藏高原（1996-）等实验的湍流 资料分析 1990年代中全球通量网（FLUXNET）等计划的实施，开创了涡相 关法推广/创新应用的新纪元 多个新软件推出，并不断更新：
2
观测与模式
观测
目的：提供实际资料以加深过程理解，进而为 模式提供参数、参数化方案及验证依据。 挑战：观测资料可能并非真值；或并非最终需 要的参数值；或者，不是所关心尺度上有 代表性的值
系统 误差、随机误差及其它不确定性 与传感器及观测环境有关的 Fetch/ Footprint 问 题（代表性） 不同观测及数据处理方法之间的不一致性 不同站点的协调与资料共享问题等