台阶地形爆破振动放大与衰减效应研究

基于台阶地形爆破振动数值模拟与边坡振动监测实验，研究台阶地形爆破振动速度在传播过程中高程放大效应的产生及变化规律。结果表明，单个台阶坡顶质点的振动速度放大效应是在距爆源一定距离、达到一定高差的条件下产生的；坡顶质点振动速度放大倍数并不随台阶高度的增加而单调增加，在台阶高度超过某一临界值后，放大倍数随台阶高度的增加而减小。台阶高程对爆破振动速度既有放大作用，同时也随高度的增加产生衰减作用。根据模拟计算及现场观测数据分析结果，给出了台阶地形爆破振动速度预测模型，该模型为类似边坡工程的爆破地震波传播规律研究提供一定的参考。     

城市大气环境的大涡模拟研究进展

本文回顾城市大气污染扩散的研究实践与进展, 介绍城市大气环境流动的特点和用现代计算流体力学手段开展城市大气环境的大涡模拟研究方法, 包括: 数学模型, 控制方程、亚网格湍流模式、定解条件及其数值方法. 其中, 重点介绍中尺度到微尺度的耦合模型与适用于复杂城市下垫面(满足大涡模拟分辨率要求且计算量较小)的组合模型;并给出实际算例和结果分析, 包括准确度的统计估算和湍流特性等. 最后, 讨论城市大气环境数值模拟方法进一步改进的方向和城市大气环境流动与污染物扩散数值研究应重点关注的几个问题.     

旋转流体的实验研究

本文是作者近几年在旋转流体实验室模拟方面做的主要工作，研究涉及气动转台上，旋转流体对流涡旋的运动，水动转台上，旋转流体斜压波表面流动的变化，不稳定性结构，三维温度结构，急流的三维结构，地形的影响等诸多方面的问题。部分实验结论与大气实际观测结果有着极好地相似。     

建筑群环境风场的特性及模拟--风环境模拟研究之一

建筑风环境是研究建筑物与城市风场相互作用的一门空气动力学与大气科学的交叉学科、将空气动力学惯用的风洞实验和流场显示研究手段，直接用于城市大气边界层和建筑物周边流场变化规律的研究．充分利用数值计算的广度和深度与风洞实验相结合，相互验证、相互补充、弥补了目前实验手段尚无法实现的研究．本以北京商务中心区(CBD)为研究背景，论述了建筑风环境中大气边界层的模拟和具体建筑物风场的显示方法，并与数值计算进行对比，取得了非常一致的结果．为该地区的城市规划和环境保护，提出了科学依据．     

局部粗糙机翼表面气动特性影响研究

采用柱型粗糙元,以尖劈和机翼外形为基础,利用CFD数值模拟方法,研究机翼表面局部粗糙区域对其周围气动特性的影响。研究相同粗糙元高度下,粗糙元位于尖劈表面不同位置时局部边界层和气动特性的变化情况;基于流动分区理论,采用空气动力学理论分析与数值模拟结合的方法,分析F16机翼可接受的局部粗糙元高度;根据分析结果,在改进平板外形基础上,验证不同粗糙元高度对改进目标块区域气动特性的影响程度,并给出流经局部粗糙区域的流体发展状况。为了验证数值结果的准确性,采用S-A与SST湍流模型进行对比求解。本文工作对复杂大气环境引起的飞行器局部粗糙表面区域气动特性变化的研究具有指导意义。     

对流边界层湍流特性的数值研究

采用大涡模拟方法研究了存在逆温层的情况下大气对流边界层的湍流特性。实际大气边界层中出现逆温层是较常见的，逆温层会导致大气边界层湍流结构的变化，从而影响大气的湍流扩散和输运特性。本文比较了不同逆温梯度的工况，着重分析了逆温层对边界层中热量逆梯度输运（counter gradient heat transportation，CGHT）的影响。计算结果表明：逆温梯度越大，对流边界层的发展越受到抑制；逆温层高度降低会影响整个对流边界层的温度抬升；逆温梯度越大，垂直速度方差越小；在逆温梯度较大的情况下，其逆梯度输运区域要略微低一些，初步分析认为是由于逆温层对热对流的抑制造成的；对于逆温层高度不同的情况，高度越低的逆温层对逆梯度输运的抑制作用更明显。     

临近空间大气环境研究现状

临近空间指高度位于(20$\sim$100)\,km之间的地球大气层.简要综述临近空间的已有了解和研究前沿,包括基本状态、主要过程与控制因子.介绍了基于已有探测资料的经验模式的建立和基于基本物理定量规律和数值模拟方法的中层大气环流和化学气候数值模拟.最后从临近空间大气环境保障应用角度提出研究的新建议.      

爆炸烟云扩散的时空分布模型及特性

针对爆炸烟云扩散的时空分布问题,在严格限定实验条件的前提下,设计并开展了不同当量、不同地面条件、不同炸药装置壳体厚度的3组TNT爆炸烟云扩散外场实验,获得了不同实验条件下烟云扩散时空分布数据,运用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)对爆炸烟云的扩散过程进行了数值模拟。通过分析实验和数值模拟获取的烟云时空分布数据,得到了烟云扩散形态演变过程及浮力流场信息,确定了厚水泥地面条件和硬质地面条件下不同的爆炸烟云扩散高度分布模型。研究结果表明:采用实验与数值模拟相结合的方法来表征烟云时空分布模型是科学可行的,爆炸烟云高度随时间呈1/2次幂函数增长,烟云宽度短时间内几乎呈线性扩展,烟云温度随时间呈反比例函数衰减,爆轰地面条件和炸药装置壳体厚度对烟云扩散高度均有不同程度的影响。     

库水浸泡后滑坡体中水分布的实验研究

建立了室内模拟库拟库水浸泡后滑坡体内水润湿的渗流实验装置，根据清江茅坪滑坡的地形、地貌以及岩土混合比例，填制了岩土体实验模型。模拟了水位在涨至模拟坡体凌空面一半高度和水位漫过凌空面达到第一平台高度时，坡体内的水分布情况，在水位降落实验过程中，岩土体部分失稳。证明了润湿滞后在降水期滑坡中起主要作用。     

B平面上斜压波热力结构特性的实验研究

首次用转环实验模拟方法研究了β效应对斜压波热力结构的影响,发现β效应有抑制流动的水平混合和垂直混合的作用,使流动趋于正压;β平面上急流随高度降低而减弱,在急流的内外两侧各有一个无量纲温度值分布的突跃区,它们的空间结构与大气环流中的极锋锋区和北极锋锋区的结构相似。     

大气边界层模拟的湍流相似

大气边界层的风洞模拟,是目前研究建筑物风载,污染质的大气扩散,以及解决某些环境科学和军事科学中大型课题的重要手段之一。在许多国家,风洞模拟已成为环境部门设计大型工程、林区、厂区和城区规划的主要依据。最初的大气边界层模拟装置,仅考虑形成一定的平均风速廓线,并未考虑到气流的湍流特性。微气象学的研究表明,大气的湍流特性是影响扩散的主要因素。特别是Monin和Obukhov通过大量实测资料提出大气表面层中的相似性理论,成为研究大气扩散的重要依据。从50年代开始,一些研究大气扩散和建筑物风载问题的长实验段风洞相继筹划和建立。其中较著名的有,美国科罗拉多州立大学的1.8米×1.8米×30米的回流式长实验段气      

小当量炸药深水爆炸气泡脉动模拟实验

为在实验室内开展深水爆炸气泡脉动规律研究, 通过增加水面大气压强来模拟水中静水压的方法, 建立可模拟深水环境的爆炸容器。开展不同模拟水深条件下的3种当量炸药的水下爆炸实验, 得到了气泡脉动过程图像, 验证小当量深水爆炸模拟实验与自由场实验的等效性, 分析气泡脉动周期与最大半径同模拟水深的关系。实验结果表明:容器壁面反射效应对气泡脉动过程的影响可以忽略不计, 模拟实验可等效为自由场实验; 深水爆炸气泡脉动周期及最大半径随流体静力深度增加的衰减系数分别为-0.83和-0.364。     

分层流实验研究中的装置和显示技术

分层流动是非匀均流动。大家知道,当流体静止时,重的液体总是在下面,轻的液体总是在上面。这就形成了密度随高度增加而减小的非均匀介质。由于在垂直方向液体密度不同,处于稳定状态的非均匀介质,可以用来模拟大气的温度随高度而变化的层结现象以及海洋中 ...     

亚微米颗粒在汇作用下运动机理的实验研究

当前,城市空气质量的不断恶化,引起了公众的普遍性关注.空气中的悬浮颗粒物,是城市大气环境重要污染源之一,其分布、运动及扩散规律已成为科学领域的研究热点.与连续流体不同,大气中的悬浮颗粒物是离散的,确定颗粒运动的模型是研究大气细微颗粒污染问题的关键.本文拟研究小空间静稳空气中亚微米级颗粒在汇作用下的运动规律,并构建其运动模型.在密闭实验空间中通过燃烧生成亚微米颗粒,利用静电吸附装置模拟颗粒汇,并通过粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)实验和激光多普勒测速仪(lasser Doppler velocimeter,LDV)实验技术测量分析不同空间内亚微米颗粒在大气中的热运动速度和在汇作用下的运动规律,并推导出颗粒物的速度分布经验公式.结果显示:粒子在汇作用下的运动与连续流体汇运动规律类似,但在小空间内颗粒的运动不满足流体连续方程;说明在无气流夹带输运情况下,利用汇作用及颗粒的扩散而发展的颗粒净化技术是可行的.     

临近空间大气密度时空扰动规律及建模研究

大气密度是飞行器能源动力设计、飞行控制中的重要输入参数. 近年来, 多项研究发现, 对于临近空间高层大气, 常用经验模型如USSA-76, NRLMSISE-00的密度预示值偏大. 另外, 随着飞行器精细化设计趋势, 要求经验模型可预示不同纬度、昼夜和季节条件下的密度特性. 基于此, 本文利用卫星观测数据全面分析了临近空间大气密度随纬度、地方时、日期的变化规律, 包括变化模式和变化幅度. 纬度、日期引起的变化幅度大于地方时引起的变化幅度. 纬度、日期引起的密度变化在不同高度范围表现出不同模式; 变化幅度在78 km附近达最大值, 在22 km和92 km附近达局部极小值. 地方时引起的密度变化随高度递增. 根据大气密度的时空变化特性, 本文提出了临近空间大气密度的时空扰动模型, 该模型能描述临近空间大气密度及其随纬度、地方时、日期的变化规律. 与以往经验模型相比, 时空扰动模型可更好地描述不同高度下密度的时空变化规律. 在相同误差带条件下, 本文模型的置信度明显优于NRLMSISE-00. 本文建模方法合理, 模型结果对临近空间飞行器设计有应用价值.      

不同风场下TNT炸药爆炸烟云的扩散模型及特性

为获取不同风场下TNT爆炸烟云扩散时空分布规律与高度变化模型,本文理论描述了爆炸烟云扩散过程与机理,开展了不同水平风速下烟云扩散的计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）仿真和外场时空分布实验,建立了不同水平风速下烟云高度随时间变化模型及烟云最终高度计算模型,分析了烟云扩散过程中形态、温度、密度、速度变化规律。研究结果显示:CFD方法仿真烟云分布结果与实验结果基本一致,大气稳定且无风条件下烟云高度随时间呈指数0.5的幂函数关系,最终高度与爆炸当量可拟合为指数0.47的幂函数模型;水平风会加快烟云与空气混合的速度,导致幂函数模型中指数参数随风速变大而呈线性减小规律,风速越大烟云上升速度衰减越快、上升时间越短、最终高度越低。     

方柱的涡脱落频率及端部影响的风洞实验

本文报告了用压力传感器测量方形柱体涡脱落的实验方法和结果。实验在大气边界层风洞进行。方柱的截面为正方形，高宽比为５。压力传感器在测试前经过严格的标定。测量结果表明，随着来源速度沿高度的变化，方柱的涡脱落频率也随高度而变，而且，在柱体端部附近，涡脱频率和Ｓｔ数发生明显的抑制。和二维柱体一样，在一定的Ｒｅ数范围内，三维柱体的Ｒｏ数与Ｒｅ数也存在一种线性关系。     

基于Fluent平衡大气边界层流场模拟及应用

采用Fluent进行平衡大气边界层流场模拟,在地面边界引入气动粗糙壁面函数,上边界分别采用剪力驱动和速度驱动。首先对平坦区域进行流场模拟,然后基于模拟的流场对立方体建筑物表面风压分布进行了计算。结果表明:基于本文的边界条件设置方法,三种k-ε湍流模型均能获得良好的自保持性平衡大气边界层流场;在地面边界引入气动粗糙壁面函数,可实现任意类型的平衡大气边界层流场模拟,且对近地单元的高度无限制,有利于精细化网格计算;在上边界采用剪力驱动和速度驱动是等效的,采用速度驱动边界条件有利于提高计算效率;三种k-ε湍流模型计算的立方体中心面表面压力分布基本在测量值变化范围内,说明基于本文的平衡大气边界层流场可应用于结构风荷载数值模拟研究中。     

基于FLUENT的大气边界层风场LES模拟

通过拟周期边界条件、布置粗糙元和添加随机扰动等措施实现了大气边界层风场的LES模拟。对可能影响数值模拟结果的网格密度、粗糙元高度、随机数大小、随机数赋值方向及范围等主要参数进行分析,确定其影响规律,并据此生成满足目标要求的四类不同地貌大气边界层风场。结果表明,本文的模拟结果满足结构抗风计算的要求,验证了本文所采用的数值模拟方法的可行性,为后续进行结构绕流的大涡模拟提供了有价值的来流生成方法。     

大气绕山体的运动及其输移特性的研究

对分层大气山体绕流的流动模式及扩散输移特性进行了数值模拟。采用隐式时间离散方法在贴体网格系统下求解雷诺平均的N-S方程,计算结果描述出大气流动的特征,证实了分层(以Froude数为特征参数,定义为F=U/NH,U为来流风速,N为Brunt-Vaisala频率,H为山体高度)变化对山体绕流流态的影响。数值结果表明:当Froude数大于4.0时,山体绕流的流动不再依赖于大气分层的变化。当Froude数介于4.0和1.0之间时,流场中出现了Lee波,并随着Froude数的进一步减小,流动分离发生及Lee波破碎现象。同时模型也预测了在各种流动模式下大气中夹杂着的污染物绕山体的传输特性,表明大气的分层现象对污染物的分布有着非常重要的影响。