热力非均匀下垫面对流边界层流场结构特征研究1.pdf

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1、第4卷第6期大气与环境光学学报Vo1．4No．62009年11月JOURNALOFATM0SPHERICANDENVIRONMENTALOPTICSNov．2009DOI：10．3969／j．issn．1673—6141．2009．06．004热力非均匀下垫面对流边界层流场结构特征研究袁仁民，罗涛，吴徐平，卢超，孙鉴泞z，刘辉志s(1中国科学技术大学地球和空间科学学院，安徽合肥230026；2南京大学大气科学系，江苏南京210093；3中国科学院大气物理研究所大气边界层和大气化学国家重点实验室，北京100029)摘要：利用对流水槽成功模拟热力非均匀下垫面对流边界层的发生发展。仿照数值模拟中常

2、用的马赛克方法在对流水槽的底部铺了一些导热率缓慢的材料(橡胶薄板)，使下垫面的加热存在差异，进而产生非均匀加热。利用温度廓线和准直光系统共同决定边界层顶部的位置和对流速度尺度。采用PTV测量技术获得高精度的二维流场，看到流场具有复杂的空间结构和尺度特征。相对于均匀下垫面来说，底部的非均匀加热使得混合层湍流的组织性得到加强，具有稳定的环流结构。非均匀下垫面对流边界层的方差随高度的变化曲线与均匀下垫面的特征明显不同。为了分析非均匀下垫面对流边界层的环流特征和水平输送对湍流变化的贡献，计算了湍流动能的湍流输送。计算结果表明，加热开始不久，由于不同下垫面的的温差较大，水平输送也较大；而当一段时间后，

3、温差变小，水平输送也变小了。由此可以看出非均匀下垫面对流边界层的水平输送依赖于下垫面的非均匀强度。关键词：对流边界层；热力非均匀；水槽模拟；水平输送中图分类号：P264文献标识码：A文献编号：1673—6141(2009)06—0421—011StudyonFlowPropertiesofConvectiveBoundaryLayeroverThermallyInhomogeneousSurfaceYIJANRen—min，LUOTao，WUXu—ping，LUChao，SUNJian—ning，LIUHui—zhi。(1SchoolofEarthandSpaceSciences，Unive

4、rsityofScienceandTechnologyofChina，Hefei230026，China；2SchoolofAtmosphericSciences，NanjingUniversity，Nanjing210093，China；3StateKeyLaboratoryofAtmosphericBoundaryLayerPhysicsandAtmosphericChemistry,InstituteofAtmosphericPhysics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100029，China)Abstract：Thesimulationofconv

5、ectiveboundarylayer(CBL)overthermallyinhomogeneoussurfaceismadeusingwatertankforstudyonflowproperties．Byimitatingthemosaicmethodinthenumericalsimulation，thelowthermalconductivitymaterialsareplacedonthebottomofthewatertankSOthatheatingfromthebottomisinhomogeneous．TheCBLheightandvelocityscalesareobta

6、inedbytemperatureprofilesandcollimated—lasersystem．PTVtechniqueisusedforretrievaloftwodimensionalflowfields．Theflowfieldshavecomplex收稿日期：2009～04～22；修改日期：2009—04—24基金项目：中国科学院知识创新工程领域前沿项目(IAP09309)、国家自然科学基金项目(40575005)资助E-maihrmyuan~ustc．edu．cn422大气与环境光学学报4卷structuresandscales．Comparedwiththehomogene

7、oussurface，thesurfaceinhomogeneousheatingmakesthemixedlayerstrengthenturbulenceorganizationandhasstablelocalcirculations．Thevariationsofstatisticsofvelocitieswithheightarediferentfromthehomogeneoussituation