本文選題：高雷諾數(shù)壁湍流　切入點(diǎn)：大氣表面層　出處：《蘭州大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：由于高雷諾數(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測量儀器的限制,目前對大尺度結(jié)構(gòu)的認(rèn)識還是非常有限的,其標(biāo)度問題仍然有待解決。因此,為了獲得高雷諾數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),本論文利用蘭州大學(xué)在中國西部地區(qū)的青土湖沙漠建立的三維觀測列陣(簡稱:“QLOA”)對大氣表面層(ASL)進(jìn)行了三維風(fēng)速、溫度和粉塵濃度的空間多點(diǎn)同步觀測。從2013-2015年獲得的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中,通過嚴(yán)格的數(shù)據(jù)篩選和預(yù)處理,并將基本統(tǒng)計量與規(guī)范平板湍流邊界層的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比后,獲得了可用于高雷諾數(shù)[Re_t~(46)(10~6)]壁湍流分析的高質(zhì)量數(shù)據(jù)�；谶@些數(shù)據(jù)首先重構(gòu)了大尺度結(jié)構(gòu)的三維形態(tài),對其空間尺度及結(jié)構(gòu)傾角的變化規(guī)律進(jìn)行了定量分析;然后建立了大尺度結(jié)構(gòu)三維形態(tài)表征模型;最后,分析了熱穩(wěn)定性對大尺度結(jié)構(gòu)形態(tài)特征的影響。本論文得到的創(chuàng)新性結(jié)果主要有:1)發(fā)現(xiàn)流向風(fēng)速在垂向的速度梯度對大尺度結(jié)構(gòu)的拉伸作用決定著其傾斜角度的大小,提出了一個無量綱參數(shù)表征結(jié)構(gòu)傾角的變化,并給出了相應(yīng)的標(biāo)度關(guān)系;2)在跨越3個量級的雷諾數(shù)范圍內(nèi)[Re_t~(46)(10~3)-(46)(10~6)]分析給出了大尺度結(jié)構(gòu)的空間尺度隨雷諾數(shù)及高度變化的一般規(guī)律:當(dāng)流動尺度有明顯的分離時(Re_t2000)空間尺度沒有雷諾數(shù)依賴性,即可由外尺度標(biāo)度;空間尺度隨高度顯著增加,但其增長速率逐漸減小,流向尺度在對數(shù)區(qū)頂部接近峰值,而展向和垂向尺度在整個邊界層均持續(xù)增加,分別給出了相應(yīng)的標(biāo)度關(guān)系;3)建立了大尺度湍流結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)表征模型,并通過與不同雷諾數(shù)條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比,證實(shí)了該模型具有較高的預(yù)測精度;4)不同熱層結(jié)條件下大尺度結(jié)構(gòu)三維形態(tài)的對比發(fā)現(xiàn),在不穩(wěn)定層結(jié)條件下,熱力因素產(chǎn)生的浮力對大尺度結(jié)構(gòu)有向上的抬升作用,增強(qiáng)了湍流輸運(yùn)和動量傳輸,使傾角和空間尺度增加;而穩(wěn)定層結(jié)時熱力因素對大尺度結(jié)構(gòu)有向下的壓制作用,使傾角和空間尺度減小;定量的分析表明,其空間尺度和傾斜角度隨層結(jié)穩(wěn)定性的變化均滿足相似的對數(shù)線性規(guī)律。
[Abstract]:Due to the limitation of high Reynolds number experimental equipment and measuring instruments, the understanding of large scale structure is still very limited, and the scaling problem remains to be solved. Therefore, in order to obtain the experimental data of high Reynolds number, In this paper, the three-dimensional observation array ("QLOA") established by Lanzhou University in the Qingtuhu Desert in western China is used to carry out the three-dimensional wind speed of the atmospheric surface layer (ASL). From a large number of experimental data obtained from 2013-2015, through strict data screening and pretreatment, the basic statistics are compared with the theoretical and experimental results of the turbulent boundary layer of the plate. The high quality data which can be used in the analysis of high Reynolds number wall turbulence are obtained. Based on these data, the three-dimensional shape of large scale structure is reconstructed, and the variation of spatial scale and structure inclination is quantitatively analyzed. Then, the three-dimensional morphological representation model of large-scale structure is established. The effect of thermal stability on the morphological characteristics of large scale structures is analyzed. The main innovative results obtained in this paper are: 1) it is found that the tensile action of velocity gradient of flow velocity in vertical direction determines the angle of inclination of large scale structure. A dimensionless parameter is proposed to characterize the variation of the structure inclination. The corresponding scaling relation is given. In the range of Reynolds number across three orders of magnitude, the general law of spatial scale variation with Reynolds number and height of large scale structure is given: when the flow scale is separated obviously, Ret2000). The spatial scale has no Reynolds number dependence. The spatial scale increases significantly with the height, but the growth rate decreases gradually, the flow scale approaches the peak value at the top of the logarithmic region, while the span and vertical scales increase continuously in the whole boundary layer. In this paper, the corresponding scale relation is given. (3) the three-dimensional morphological representation model of large scale turbulent structures is established, and the results are compared with the experimental results under different Reynolds numbers. It is proved that the model has a high prediction accuracy. (4) the comparison of three-dimensional morphology of large scale structures under different thermal stratification conditions shows that under unstable stratification conditions, the buoyancy produced by thermodynamic factors has upward uplifting effect on large scale structures. The turbulent transport and momentum transport are enhanced, the inclination angle and spatial scale are increased, while the thermal factors have a downward suppression effect on the large scale structure during the stable stratification, and the inclination angle and the spatial scale are decreased, and the quantitative analysis shows that, The variation of spatial scale and inclination angle with the stability of stratification satisfies the similar logarithmic linear law.
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O357.5

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本文編號：1633511