大气湍流中光传播的数值模拟

1 大气湍流中光传播的数值模拟

马保科1,2，郭立新1 吴振森1

（1.西安电子科技大学，陕西西安 710071 2.西安工程大学，陕西西安 710048 ）

摘要光在大气湍流中传播时，受大气分子、气溶胶等粒子的相互作用，将发生光束扩展、漂移和相干性退化等大气湍流效应，这些因素严重影响了光波的远场特性。文章从大气湍流中光传播的理论研究入手，分析了如何构造较为合理的大气湍流相位屏。进而采用McGlamery算法，对Kolmogorov谱下的大气湍流随机相位屏进行了数值模拟，并分析了光波从发射机经湍流大气传播到达接收机时的远场变化特性。研究表明，大气湍流的存在对光的远场传播质量造成很大的影响，研究结果也为大气湍流中与光传播相关的工程应用及自适应光学技术的完善提供了参考。

关键词大气湍流；McGlamery算法；相位屏模拟；大气结构常数；

中图分类号 TP391 文献标识码 A

1 引言

大气湍流是一个相当复杂的随机媒质系统，虽然物理学界对湍流的研究已经历了相当漫长的历史，但因涉及的因素千头万绪，其间的相互作用和关系也错综复杂，人们对其物理本质至今未能做到较为清楚的认识。因此，光在大气湍流中传播问题的研究仍存在理论和实验上的挑战[1,2]。通常，当光在湍流大气中传播时，光束截面内包含着许多的大气漩涡，这些漩涡各自对照射到它的那一部分光束形成衍射作用，可导致光束的强度和相位随机变化，进而表现出光束扩展，大气闪烁和相位起伏等大气湍流效应，从而严重降低了接收机的接收效率。目前，突破大气湍流的影响仍是光在随机介质中传播所要解决的关键问题[3]。早在20世纪中期，苏联的Obukhov便采用Rytov平缓微扰法由实验反演湍流特征。在闪烁的饱和现象被发现之后，物理学界又将Markov近似引入求解光场的统计矩，研究大气湍流下的光场特性[1]。然而，在中等起伏条件下，目前仍没有找到很好的解析处理方法。由于数值模拟能够从光的传播过程出发，较为清楚地反映出所涉及问题的物理本质，因而成为研究湍流效应的主要方法[4]。本文采用McGlamery算法[5]，对Kolmogorov谱下的大气随机相位屏进行了数值模拟，进而结合Huygens-Fresnel原理，模拟了在有无大气湍流的情况下，接收机处光场的变化特性。

2 大气湍流中光的传播

在折射率为n的随机媒质中，一束波长，波数为k（2k）的单色波的电场E由Maxwell波动方程来描述[1,4]

222()2(ln)0knnErEE (1)

收稿日期: 2010年3月14日收到修改稿日期：2010年月日

基金项目：教育部科技重点项目（105164）

通信作者: 马保科（1972），男，在读博士，副教授，主要从事随机介质中波传播方面的研究。Email: baokema2006@ 2 其中，1()1()nnrr，（1()1nr，且1()0nr）为湍流折射率，(1)式左端最后一项反映了偏振特性，当波长远小于湍流的内尺度（0l）时，此项可以忽略不计，有

222()0knErE (2)

因而，电场E的任一分量波动方程为

222()0EknEr (3)

如果介质的非均匀尺度远大于波长，可认为只存在前向小角度散射而无后向散射。对如图1沿z方向的传播进行旁轴近似处理，并将光场写为exp()Euikz，得

222222(1)0uuuikknuzz (4)

其中，22222xy为横向算符。(4)式还可进一步化简为

(H)(H)H,0ikikikikuikuzzz (5)

其中，算子222H1(1)kn。如果折射率不随传播距离而变化（或变化较小），则(5)式中忽略交换算子项，得到如下的广义抛物型方程

(H1)uikuz (6)

通常，算子H不同的近似可得不同的抛粅型方程，而算子H最简单的近似即为其Taylor展式

222H1(1)/2kn（） (7)

当湍流场的折射率满足1()1()nnrr时，(7)式化简为

221H12kn (8)

将(8)式代入(6)式得

212uiuiknuzk (9)

或

222122220uuuikknuxyz (10)

(9)式即为忽略后向散射而具有抛粅型近似的波动方程。如果仅考虑介质折射率起伏对场的作用，则它的右边只需保留与折射率有关的第二项，这时其解反映了在光的传播方向上由于积分光学路径所导致的相位调制，即

''1'(,)(,)exp((,))(,)exp()zzuzuziknduziSrrrr (11)

(11)式中，如果折射率起伏引起的相位变化S足够小，则可将真空传播和介质相位调制看作是相互独立并同时完成的两个过程。这样，如图1可将连续随机介质分割为一系列厚度为z的平行平板，位于平板前的光场根据(9)式的真空解传播至平板的后面，然后被该平板引起的相位调制；这个场再经同样的真空传播和相位调制传播至下一个平板，依次形成最终的光场。也即将光在湍流介质中的传播等效为光在真空中通过一系列 3 薄的相位屏后的传播。

图1 随机介质中光传播的相位屏模型

Fig .1 The phase screen model in the atmosphere turbulence

这样，通过第i个相位屏后的光场由(9)式得

121(,)expexp((,))(,)2iiziiiziuzdziSzuzkrrr (12)

其中，11(,)(,)iizizSzknzdzrr，由于(,)iSzr的随机特性，不可能利用解析的方法获得上式的解，而只能利用数值方法。

3 大气湍流随机相位屏的数值模拟

湍流介质中光传播的特殊性就在于介质折射率是随机起伏的，数值模拟的一个关键也在于如何构造合理的相位屏，来正确反映介质折射率的变化特性，通常所构造的相位屏必须满足[4,5]：

（1）、相位屏所代表的平板厚度z应足够小，以确保其对场的振幅没有明显影响而只影响相位，即

2/nz (13)

其中，2n为湍流折射率起伏均方差。

（2）、光场的变化特性与相位屏的构造方法应无关，即平板厚度应大于湍流介质非均匀元尺度，即

0zL (14)

这里，0L为湍流外尺度。

（3）要使光在平板内的传播满足几何光学近似，则Fresnel尺度Fl应小于湍流内尺度0l，即

20/zl (15)

目前，大气湍流随机相位屏的模拟方法较多[6]。这里主要利用McGlamery算法来模拟大气湍流相位屏，算法步骤如下：

1）生成二维具有高斯分布的复随机数矩阵k。 4 2）根据大气折射率功率谱函数，生成二维的功率谱密度函数矩阵。

3) 将功率谱密度函数矩阵求算术根再乘以复随机数矩阵k，得到一个相位均匀分布在,，振幅受功率谱密度函数调制的复随机数矩阵，即

()()()YK (16)

4）对矩阵()Y进行逆Fourier变换得到其空间域形式，即

0()IFFT()()exp(2)LYlYYjldl (17)

5）将矩阵()Yl分解为实部和虚部。这样，每一部分均独立代表一种随机的大气湍流相位屏

1ScreenRe()Yl，2ScreenIm()Yl (18)

在模拟相位屏时，相关参数的选择为[4,5]：网格间距0/3xl或/xL，屏间距20/zl，网格长度0/NxL或2NxD（D为发射机孔径尺寸）。

10-1100101103104105106Structure Function Df(r) Distance r (m) Simulant valueTheoretical value

图2 模拟生成的大气湍流相位屏图3 相位结构函数的理论与模拟值比较

(Fig.2 The simulant atmosphere turbulent phase screen, Fig.3 Compare the simulant and the theoretical value

of the phase structure function )

图2是利用McGlamery算法模拟生成的Kolmogorov谱下的大气湍流相位屏，由于通常单层相位屏上相位分布的重复性较高，这里我们采用了多屏叠加的思路来尽量减小相位的重复性[7]。模拟屏上的相位结构函数定义为

221()()()[Screen()Screen()]nrDrrrrrn (19)

其中，Screen()r表示相位屏上r处的相位，n为屏上的网格数。同时，与Kolmogorov大气湍流功率谱相对应的相位结构函数理论值为[2]

5/30()6.88()Drrr (20) 5 通常，大气湍流的统计特性可以用相位结构函数来描述，因此，可以将相位结构函数作为验证模拟的相位屏正确与否的判断标准。图3比较了相位结构函数的理论值与模拟值。其中，湍流的内、外尺度分别为00.01lm米和01Lm米，大气相干长度08rmm。可见，在垂直于传播方向的平面内横向距离2r米（即05rL）的范围内，相位结构函数的理论值与Kolmogorov谱下的模拟值吻合较好，但当05rL时，两者相差较大。因此，在湍流谱及上述参数选定的情况下，为了达到模拟大气湍流的准确性和避免大尺度湍流起伏所带来的误差，相位屏的尺寸最好选为0055LL大小。

4 大气湍流下传播光场的数值模拟

图4 发射机平面上的模拟光斑

Fig.4 The stimulant facula on the transmitter plane

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大气层中的湍流现象

1. 引言

湍流是大气层中普遍存在的一种现象，它是由于不同速度、密度和温度的空气相互作用而引起的。湍流现象在大气科学和气象学中具有重要的研究意义，对于了解大气运动、气候变化以及预测天气等方面都有着重要的影响。

2. 湍流的定义

湍流可以被定义为一种不规则的、无序的流动状态，其中的气流速度和方向随时间和空间的变化而发生突然的、随机的波动。与湍流相对的是层流，层流是指气流以规则的、有序的方式流动。湍流现象在大气层中广泛存在，从微观到宏观尺度都能观察到。

3. 湍流的形成原因

湍流的形成主要受到以下几个因素的影响：

3.1. 不均匀性：大气层中存在着各种不均匀性，比如地表的地形起伏、不同区域的温度差异和气压梯度等。这些不均匀性会导致气流的速度和方向发生变化，从而引发湍流现象。

3.2. 惯性：空气具有质量和惯性，当气流受到外力的作用时，会产生惯性力。惯性力对气流的速度和方向产生影响，促使气流发生湍流运动。

3.3. 粘性：空气具有一定的粘性，当气流经过不同介质或物体表面时，会受到粘性力的作用。粘性力会使气流发生湍流现象，并形成涡旋结构。

4. 湍流的特征

湍流的主要特征包括速度波动、能量分布的不均匀性和尺度层次的多样性。

4.1. 速度波动：湍流中的气流速度会随时间和空间的变化而发生快速而不规则的波动。这种速度波动导致了湍流的无序性和难以预测性。

4.2. 能量分布的不均匀性：湍流中的能量分布非常不均匀，大部分的能量集中在较小的空间范围内。这种不均匀性使得湍流的能量传递和分布变得复杂且难以解析。

4.3. 尺度层次的多样性：湍流现象在不同尺度上都能观察到，从微观的涡旋结构到宏观的大气环流系统都存在湍流现象。这种多样性使得湍流的研究变得复杂且具有挑战性。

5. 湍流的影响

湍流现象对大气运动和气象学有着重要的影响。

5.1. 大气运动：湍流是大气层中能量和质量传递的重要机制之一。它通过混合和扩散作用，导致气流速度和方向的变化，进而影响大气的运动和循环。

探秘大气层中的大气湍流现象

1. 引言

大气层是地球上最重要的自然资源之一。它不仅为我们提供了呼吸所需的氧气，还维持了地球的温度和气候平衡。然而，大气层并不是一个静态的系统，而是充满着各种各样的运动现象。其中，大气湍流现象是大气层中最为常见和复杂的运动之一。本文将探秘大气层中的大气湍流现象，并探讨其对气候和天气的影响。

2. 什么是大气湍流现象？

大气湍流现象是指大气中流体运动的一种随机、混沌和不规则现象。它由于空气分子的热运动引起，存在于各种尺度和时间范围内。从微观上看，大气湍流是由于分子运动的碰撞和混合，使得空气在空间中形成了无序的旋涡和涡旋。从宏观上看，大气湍流可以表现为气流的剧烈扰动、旋转和涡旋的形成。

3. 大气湍流的形成机制

大气湍流的形成机制非常复杂，涉及到多种因素的相互作用。其中，最主要的因素是地球的旋转和地表的不均匀加热。由于地球自转的影响，空气在赤道附近的热带地区向大气层的上层流动，形成了所谓的风系。而地表的不均匀加热，则会导致空气的温度和密度差异，从而引发湍流现象。

4. 大气湍流的尺度和时间范围

大气湍流的尺度和时间范围非常广泛，从小到大可以达到几厘米到数百千米的大小。在时间上，大气湍流可以持续几分钟到几天甚至更长时间。这种广泛的尺度和时间范围使得大气湍流成为了气象学中重要的研究对象。

5. 大气湍流对天气的影响

大气湍流对天气的影响非常显著。它会导致气象现象的变化和不确定性，例如风的方向和强度的突然变化、云的形成和消散、降水的分布等。大气湍流还可以导致风暴和气旋等极端天气事件的发生。因此，对大气湍流的研究对于天气预报和气候变化的预测具有重要意义。

6. 大气湍流对气候的影响

除了对天气的影响外，大气湍流还对气候的形成和变化起着重要作用。它可以影响气候系统中的能量和物质传输，从而调节地球的能量平衡和气候分布。例如，大气湍流可以将热量从赤道地区向极地地区输送，使得赤道地区保持温暖，而极地地区保持寒冷。大气湍流还可以通过将湿空气从海洋输送到陆地上，形成降水，影响降水的分布和强度。

大气湍流结构的统计特性分析

一、引言

大气湍流一直是气象学和气候学领域的重要研究课题。湍流作为一种不规则的、不可预测的流动形式，其所具有的复杂性使其难以解析和模拟。然而，通过对湍流的统计特性进行分析，我们可以更好地理解大气湍流的生成和演化规律，从而提高预测和模拟的准确性。

二、湍流的基本概念

湍流是指在一定流场中，流动速度存在不规则的涨落和旋转现象。它是由于流体在不稳定流场中发生的流速、涡旋和涡漩等二次运动而产生的。湍流流场的主要特点是速度、压力和密度等物理量在时间和空间上的不规则性。

三、湍流的统计特性

湍流的统计特性主要包括湍流速度的分布、二阶统计参数和流场相关量。其中，湍流速度的分布可以通过测量大样本流动的平均速度来获得。我们可以使用雷达、飞机和卫星等工具对流场进行实时观测，并根据观测数据进行统计分析。

四、湍流的二阶统计参数

湍流的二阶统计参数包括相关系数、功率谱密度和自相关函数等。相关系数可以衡量湍流速度的时间和空间上的关联性。功率谱密度是湍流速度信号在频域上的分布情况，可以提供流场中各个频率分量的能量大小信息。自相关函数描述了湍流速度信号与其在过去时刻或位置的关系，可以揭示湍流的历史信息和空间结构。

五、湍流的流场相关量

湍流的流场相关量包括湍流能量、湍流涡旋和湍流涡漩等。湍流能量是描述湍流流场激烈程度的重要参数，并可通过湍流能量谱来分析。湍流涡旋是湍流场中旋转的局部区域，其大小和形态决定了湍流流场的结构特征。湍流涡漩是流场中的三维涡旋结构，与湍流动力学和能量传递等诸多现象密切相关。

六、湍流结构的数值模拟

湍流结构的数值模拟是研究湍流特性的重要手段之一。通过数值方法，可以细致地模拟湍流的运动，分析湍流的统计特性。常用的数值模拟方法包括直接数值模拟（DNS）、大涡模拟（LES）和雷诺平均（RANS）等。这些方法在不同问题和尺度下都有其应用领域，可以为湍流研究提供定量的数值数据。

七、湍流的应用

湍流大气中聚焦平台光束焦移及光斑尺度

第２３卷第６期　２０１１年６月　强　激　光　与　粒　子　束　

ＨＩＧＨ　ＰＯＷＥＲ　ＬＡＳＥＲ　ＡＮＤ　ＰＡＲＴＩＣＬＥ　ＢＥＡＭＳ　Ｖｏ１．２３，ＮＯ．６　Ｊｕｎ．，２Ｏ１１　

文章编号：１００１—４３２２（２０１１）０６—１４６３—０４　

湍流大气中聚焦平台光束焦移及光斑尺度　

张建柱，　李有宽，　张飞舟，　安建祝　

（北京应用物理与计算数学研究所，北京１０００９４）　

摘　要：　通过理论分析和数值模拟，对聚焦平台光束大气传输的焦移问题进行了研究。聚焦平台光束在　

湍流大气中传输时，湍流将导致光束的束腰向发射点移动，且湍流越强移动的幅度越大；大气湍流强度相同时，　

聚焦平台光束发射Ｉ：１径越小，其束腰移动的幅度越大。另外，通过调节发射系统的焦距，使聚焦平台光束的束　

腰正好位于接收探测器处时，接收探测器上的激光功率密度并非最大，只有当发射系统的焦距等于激光的传输　

距离时，接收探测器上的激光功率密度才会最大。　

关键词：　聚焦平台光束；　焦移；　湍流；　传输　

中图分类号：ＴＮ０１２　文献标志码：　Ａ　ｄｏｉ：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２Ｏ１１２３０６．１４６３　

激光在大气中传输时，由于大气湍流的影响，传输光束的波前将随机起伏，引起光束抖动、光强闪烁、光束　

扩展和相干性的变化等［Ｉ－２］。对于聚焦光束的传输，湍流不仅会使其束腰处光斑发生扩展，还会影响其实际的　

束腰位置，使得束腰位置偏离理想系统的焦点位置。文献Ｉ－３］通过数值模拟的方法给出：聚焦高斯光束在湍流　

大气中传输时，湍流将导致光束的束腰向发射点移动，且湍流越强移动的幅度越大；湍流强度相同时，束腰移动　

的幅度将随光束半径的增大而减小。但聚焦平台光束的相关结论如何，文中未明确给出，且文献［３］的结论是　

基于数值模拟的，没有从理论方面进行更多的说明。另外，湍流导致了聚焦光束的束腰向发射点移动，当发射　

点和接收点间距离确定时，通过调节发射系统的焦距，可使光束束腰正好位于接收点处，此时接收点探测器上　

大气湍流——精选推荐

⼤⽓湍流

胡⾮

⾃然界中的流体运动存在着⼆种不同的形式：⼀种是层流，看上去平顺、清晰，没有掺混现象，例如靠近燃烧着的⾹烟头附近

细细的烟流；另⼀种则显得杂乱⽆章，看上去毫⽆规则，例如烟囱⾥冒出来的滚滚浓烟，这就是湍流，也叫紊流，在⽇⽂⽂献

中被叫作“乱流,更容易顾名思义。相对来说层流却是很少见的。

我们⽣活的地球被⼤⽓所包围，⼴义地讲，整个地球⼤⽓系统都可以看作是处在具有宽⼴尺度湍流运动的状态，因此湍流研究

具有极为重要的科学意义和实际应⽤价值。⼤⽓湍流以近地层⼤⽓表现最为突出，风速时强时弱，风向不停摆动，就是湍流运

动的具体表现。⼤⽓湍流造成流场中各部分之间强烈混合，它能使⼤⽓中的动量、热量、⽔汽、污染物等产⽣强烈混合和输

送，能对建筑物、飞⾏器等产⽣作⽤和影响，还会使⼤⽓折射性质发⽣变化从⽽导⾄电磁波和声波被散射，湍流是⼀种开放

的、三维的、⾮定常的、⾮线性的、并具有相⼲结构的耗散系统，集物理现象的多种难点于⼀⾝。⾃从1883年Reynolds做了

著名的实验以来，⼀百多年⾥⼀直是科学的前沿和挑战

性问题之⼀。历史上，包括von Karman、Kolmogorov、Landau和周培源在内的许多著名科学家对湍流的研究均未获得⼤的

成功。在跨越了两个世纪之后的今天，尽管⼈们对湍流发⽣机理和湍流运动规律的了解有了很⼤的进展，湍流研究在⼯程技术

上的应⽤也取得了很⼤的成就，但是就其本质上来说，对湍流的认识还很不全⾯，还有很多基本的问题没有搞清楚。例如：⽬

前为⽌，科学家们还给不出湍流的严格科学定义，也没有找到对湍流的解析和定量描述⽅法；尽管知道了控制流体运动的Navier-Storkes⽅程，但是由于该⽅程是强⾮线性、⾼⾃由度的偏微分动⼒系统，因⽽对其解析求解⼏乎是不可能的；

Reynolds平均⽅程则遇到“不封闭”困难；湍流模式理论同样也因为对物理机制缺乏理解⽽并不很成功。

总之，湍流仍然是摆在全世界科技⼯作者⾯前的难题。周恒院⼠指出，湍流问题不仅制约了航空、航天、⽔利、化⼯等许多⼯

海上大气激光传输特性仿真研究

LENG Kun;WU Wen-yuan;GONG Yan-chun;YANG Yun-tao;ZHANG Xi

【摘要】大气光学效应是影响激光器作用效能的重要因素之一.基于多层相位屏法,针对海上大气环境下激光水平传输做了大量数值仿真,通过在湍流相位屏上叠加热晕以及衰减引起的相位变化,综合考虑三者对激光传输特性的影响;分析了不同激光初始功率、不同折射率结构常数、不同能见度以及有无热晕情况下接收面处激光光斑半径,质心漂移均方根和环围功率比的变化规律.仿真结果表明:激光初始功率越强,热晕效应越明显,光斑畸变越严重,光束质量变差;折射率结构常数越大,湍流效应越强,光斑扩展与光束漂移现象越明显,平均功率密度下降,环围功率比增加;能见度越小,激光能量衰减越严重,环围功率比越大;热晕效应会加大光斑扩展程度,增加光束漂移量和环围功率比.研究结果可为海上大气环境对激光器作用效能评估提供一定的理论依据.

【期刊名称】《激光与红外》

【年(卷),期】2018(048)012

【总页数】6页(P1480-1485)

【关键词】激光传输;相位屏法;海上大气

【作者】LENG Kun;WU Wen-yuan;GONG Yan-chun;YANG Yun-tao;ZHANG

【作者单位】;;;;

【正文语种】中文【中图分类】TN24

1 引言

激光在海上大气中传输时,大气湍流效应、大气衰减效应以及强功率情况出现的大气非线性效应,都会对激光光束质量造成影响,限制激光器许多方面的应用,如激光通信、激光雷达、激光制导、激光武器等。而海上大气环境与陆地大气环境在许多方面有所差别,如海上大气环境下的湍流强度属于中低程度,一般略低于陆地环境下的湍流强度,且“转换时刻”不明显[1]；海洋大气环境中的气溶胶粒子和大气分子也与陆地环境不同,多是由海盐、水溶性物质组成的海洋型气溶胶粒子,水汽含量较大[2]。因此,针对海上大气激光传输特性问题,应该采取更具体的研究方法。

大气湍流的定义

一、什么是大气湍流？

大气湍流是指大气中存在的一种流动状态，它具有随机性、不可预测性和混沌性。在大气中，湍流主要表现为气体流动的三个特征：不规则、涡旋和能量传递。在自然界中，湍流广泛存在于大气运动中，也是气象学中研究的一个重要课题。

二、湍流的形成原因

湍流的形成涉及多种因素，主要包括不均匀度、非线性和能量转换等。大气湍流的形成主要受到以下几个因素的影响：

1. 地球表面的地形不规则性：地球表面的不均匀性会导致大气运动的不规则性，进而形成湍流。

2. 大气运动的非线性特征：大气运动本身具有非线性特征，会导致流动的不稳定性，进而形成湍流。

3. 能量传递和耗散：湍流中的能量传递和耗散是湍流形成的重要原因。大气中能量的传递和耗散过程会导致湍流的形成和发展。

三、大气湍流的特征

大气湍流具有以下几个特征：

1. 不规则性：湍流流场的形态不规则，无法通过简单的规律来描述。湍流中存在着各种大小的涡旋，其形态复杂多样。

2. 涡旋性：湍流主要表现为涡旋的存在。涡旋是湍流的基本结构单元，其大小和形态各异。

3. 能量级联：湍流中的能量传递存在级联现象，即能量从大尺度的涡旋传递到小尺度的涡旋，形成不同尺度的湍流结构。

4. 能量耗散：湍流中的能量会通过摩擦和粘滞耗散，最终转化为热能而消失。

四、湍流的研究方法

湍流的研究方法包括实验观测、数值模拟和理论分析等多种方法。 1. 实验观测：通过在大气中放置观测设备，如气象雷达、探空仪等，对湍流进行实时观测和记录。这种方法可以直接获取湍流的实际数据，但观测范围和精度受到一定的限制。

2. 数值模拟：利用计算机和数值模型，对湍流进行仿真模拟。数值模拟可以模拟出各种湍流条件下的流场情况，提供湍流的详细信息，但对计算资源和模型精度要求较高。

3. 理论分析：通过建立湍流的数学模型，利用数学方法对湍流进行分析和求解。理论分析方法可以从基本方程出发，推导湍流的统计规律和性质，但对湍流的简化假设和逼近方法较多。

审稿专家邀请函

王秋悦，张燕革，单欣，等：中强大气湍流信道中激光传输数值仿真精度的研究4结束语在进行中强湍流大气激光传输的数值仿真中，采样网格间距对数值仿真的精度至关重要。本文以球面波在水平均匀路径下的传输问题为例，在保持采样点数和接收平面的网格间距不变的条件下，设置不同的发射平面的网格间距，满足数值仿真的各项约束条件，分析了中强湍流路径下的光强闪烁指数波动情况#通过对比仿真结果和相应的湍流理论曲线发现，发射平面的网格间距越小，数值仿真结果与理论结果的相对误差越小，且仿真结果稳定性越高。因此，引入参数!的多步传输算法可以根据传输路径具体情况自定义网格间距，同时满足仿真效率和仿真精度的要求#由于该方法使得发射光场的采样更精细，在进行激光湍流传输的仿真过程中，除了可以实现提高闪烁指数的仿真精度和稳定性之外，也可以实现对到达角起伏方差的仿真效果的提高。参考文献：[1] 刘涛，朱聪，孙春阳，等.种改进的次谐波大气湍流相位屏模拟方法 [J].光子学报，2019,48(2)： 1-6.[2] BALAJK K A, PRABU K. Performance evaluation of FSO system using wavelength and time diversity over Malaga turbulence channel with pointing errors [J]. Optics Communication, 2018, 410: 643-651.[3] 张娜娜，单欣，张燕革，等.Non-Kolmogorov湍流对光强影响的模拟实验!J].光子学报，2018,47(6)：1-9.[4] SHAN Xin, MENYUK C, CHEN Jing, et al. Scintillation index analysis of an optical wave propagating through the moderate-to-strong turbulence in satellite communication links [J]. Optics Communication, 2019, 445: 255-261.[5]任斌,陈纯毅，杨华民.大气湍流光波传输数值仿真技术研究综述[J]. 系统仿真学报，2017,29(8)： 1631-1640.⑹ 陈世文.空间激光通信中湍流信道光束传输仿真[J].激光杂志， 2015，36(12)：153-155.[7] 钱仙妹，朱文越,饶瑞中•非均匀湍流路径上光传播数值模拟的相位屏分布[J].物理学报,2009,58(9):6633-6639.[8] 王孚,施鹏，赵生妹•大气湍流下自由光通信信道模型的数值仿真[J]. 南京邮电大学学报,2012,32(4):32-37.[9] RUBIOJ A, BELMONTE A, COMERON A. Numerical simulation of long-path spherical wave propagation in three-dimensional random media [J]. Opt SocAmA, 1999,38(9): 1462-1469.[10] STEVE C. Choosing mesh spacing and mesh dimensions for wave optics simulation [J]. Proc SPIE, 2005, 5894: 1-13.[11] SCHMIDT J D. Numerical simulation of optical wave propagation with examples in MATLAB [C]. Washington: SPIE, 2010.[12] 苏显渝.信息光学[M]. %京:科学出版社,2010.[13] SCHMIDT J D, MATTHEW E G, BRADLEY DD. Emulation of optical effects of atmosphere turbulence using two liquid-crytial light modulators [J]. Proc SPIE, 2007, 6711: 1-12.[14] 钱仙妹，朱文越，黄印博，等•激光湍流大气传输数值模拟中计算参量的选取!J].光子学报,2008,37(10)：1786-1791.[15] MARTIN J M, FLATTE S M. Simulation of point-source scintillation through three-dimensional random media [J]. Journal of the Optical Society of America A, 1990, 7(5): 838-847.[16] 段梦云.激光大气传输数值模拟及实验研究[D].武汉：武汉大学， 2015.[17] 周玉松，梅海平，王锤茹•大气湍流影响星地相干激光通信的数值仿真!J].大气与环境光学学报,2018,13(4)258-267.[18] 张超•用惠更斯原理研究光纤放大器的增益和损耗!D].长春：长春理工大学，2019.审稿专家邀请函尊敬的各位专家学者：您好！《光通信技术》是中国电子科技集团公司主管、中国电子科技集团公司第三十四研究所主办的学术刊物， 1977年创刊。为进一■步提高办刊质量，完善和丰富现有审稿专家库,提高审稿质量和效率，现诚邀国内外光通信领域的优秀专家参与我刊的审稿工作，相信您的加入将极大地促进我刊的发展。我刊的审稿专家遴选条件如下:①具有正高级职称。②精通或擅长光通信技术某一方面或多方面的发展前沿与动态，能对论文给出精准的审读意见。③热爱审稿工作,能按时完成审稿并对所审稿件严格保密。本刊现采用两种审稿方式(在线审稿系统、邮件审稿)，每月结算一次审稿报酬(通过银行转账方式)+如有意成为《光通信技术》审稿专家者,请登录本刊网站下载、填写“审稿专家登记表”，以电子邮件附件形式返回至E-mail: ******************，经编辑部研究讨论通过后，将正式成为本刊的审稿专家。衷心感谢各位专家学者长期以来对《光通信技术》工作的关心和支持。《光通信技术》编辑部'朮亀信坯礼2020年第4

FLUENT用于大气污染扩散的数值模拟_许雅娟

年

后勤程学院学

报第期

文

章编号1

7一

73一

的3一。

用于大

气污

染扩散

的数

值模拟

许雅

娟,

罗挺

(后勤

工

程学院后勤

信息

工

程系,

重

庆4

伙叉)1

摘要

从模型

建立、

网格生成、

基本方

程及附

加模型几个方

面叙

述了F

ULE

求解大

气

污

染扩散问题的步骤。

在此

基础上

对模拟计

算中初始边

界条件的

设定、

收敛性与

稳定

性、

模型后处理

等问题作出

分析,

并以

FLUENT对

典型工业园

区大

气污

染扩散

过程的数值模拟

为

例证明了F

uLENT

解决大气

污

染扩

散问题的

适用性,

为

解决此类

问题提供参考。

关

键词

FLUEN;T大气

污染扩散;

数值模拟

中图

分类号:

X51文

献标

识码:

大气污

染扩散是湍

流问题,

研究湍流问题

有3种方法:实验方法、

分析方法和

数值模

拟方法[’

〕。

与

实验方法相比,

利用数值模拟方法研究大气湍流,

省却了

大

量复杂

的实验准备

工作,

节约了

实验设备的

投资,

排除

了实验方法的不确定因

素,

具

有经济、

高效的特点。

相比

于分析方法而言,

数值模拟方法能够

求

解更为复杂的流动问题,

可

视化

的流场模拟结果更加直观,

不仅仅停留

在理论分析的

层次。

利用计算

流体

力学(com

uPt

iatondnuldd

,丽cs,

D)商

业软件对大气湍流进行数值模拟,

在秉承数值模拟方法

优点的同

时回

避了

编程工作

的复杂性,

是研究

大气湍流的

有力工具。

1FLUENT

用于大

气污染

扩散模

拟的适用

性

11FLUE

NT在

大气污染方面的应用

在大气

污染扩散方面,

FLUE

NT有很多成功的

应用案例。

主

要包括污染物扩散

的数值模

拟,

电厂冷

却塔

烟羽

扩散模式研究,

化学实验室烟羽

扩散模拟,

烟羽

轨迹跟踪等。

此外,

在污

染控制方面,

FLuE

可

用于

模

拟袋滤室、

旋风除尘器、

电除尘器、

烟气脱硫设备、

有毒气体排放、

502洗涤、

颗粒物洗涤、

工业

污染排放等过程和

设备

的模

拟等。

12F

ULENT功能简介

FLUENT60计算求解器采用完全的非结构化网

格和

控制体积法。

作为一个通用求解器,

适用于

低速不可

压流动、

跨音速流动乃至可

压缩性

强的超音速和高

超声速流

大气工程中的大气湍流模型验证研究

引言

大气湍流模型在大气工程中的应用十分重要。通过模拟和验证湍流模型，可以更加准确地预测气象现象，提高大气工程的设计和施工质量。本文将探讨大气湍流模型验证的研究方法和重要性。

一、湍流模型简介

湍流是指气体或流体在运动中产生的混沌不规则的扰动。在大气中，湍流常常会导致天气的变化和风力的增大。湍流模型是通过数学方法来描述和模拟湍流运动的工具。常用的湍流模型有Reynolds平均纳维-斯托克斯（RANS）模型和雷诺数按比例缩小模型。

二、湍流模型验证的意义

湍流模型验证是对湍流模型进行实际应用前的重要步骤。通过验证模型的准确性和适用性，可以提高模型的可信度和预测精度。湍流模型验证的意义主要体现在以下几个方面。

1. 提高大气工程设计的准确性：通过验证湍流模型，可以更加准确地预测不同气象条件下的湍流现象，从而改善大气工程的设计和施工质量。

2. 优化大气工程方案：湍流模型验证可以帮助工程师优化设计方案，减少能源浪费和材料浪费。比如，在建筑物外墙设计中，湍流模拟可以指导玻璃、墙体的阻力设计，以提高建筑物的能源利用效率。

3. 降低气象灾害风险：通过验证湍流模型，可以更好地预测气象灾害，如台风、龙卷风等。这样，相关部门可以提前采取措施，减少灾害带来的损失。

三、湍流模型验证的研究方法 1. 实验验证法：实验验证法是通过在实验室或大气模拟风洞中进行湍流模拟实验，对模拟结果进行观测和分析，检验模型的准确性。此方法可以产生真实的数据，但成本较高。

2. 数值模拟验证法：数值模拟验证法是使用计算流体力学（CFD）方法，通过计算湍流模型的数学方程组，得出模拟结果并与实际观测数据相比较。此方法成本较低，但需要选择适当的数值模型和边界条件。

3. 实测数据验证法：实测数据验证法是通过采集实际湍流过程的相关数据，与模型模拟的结果进行对比。此方法能够验证模拟结果的可信度，但对于复杂湍流现象的精确验证较为困难。

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