湍流梯度法基本原理

梯度法是利用兩個高度或兩個以上高度測定的風速、氣溫、濕度和其他氣體物質(zhì)濃度的差求算物理量的湍流輸送量。因此用梯度法測定通量時，至少需要在兩個高度設置風速計和溫、濕度計，并設置對象氣體的濃度分析儀(或吸入口)。因為兩高度的風速、氣溫和物質(zhì)的濃度差一般很小，所以要求觀測儀器的精度很高，風速、氣溫和水汽壓的誤差很小。

總體而言，與渦度相關技術相比，梯度法物理概念簡明，理論成熟，且使用方便，只需要不同高度的常規(guī)氣象要素的觀測資料，就可以進行長期的熱量、水汽、CO2以及其他痕量氣體的通量計算與研究，因此在儀器的測定精度、觀測成本與儀器操作等方面的要求較低，成為近地面層湍流通量觀測中常用的技術。但梯度法也存在幾方面的問題，首先，如何在非理想大氣層結條件下計算通量。例如有研究表明，當風速與不同高度水汽壓差小于2.0 m·s^-1與0.5 hpa時，利用梯度法所觀測的顯熱與潛熱通量的相對誤差迅速增大(劉樹華等，1999)。其次，梯度法需要在不同高度上進行廓線梯度觀測，這使其適用范圍受到限制，比如在水面上的觀測。

湍流在空氣動力學中指的是短時間(一般少于10min)內(nèi)的風速波動。為了有效地描述風，將它認為是通過天氣、晝夜、季節(jié)的平均風速和湍流的風速波動疊加構成的。這些風速波動的周期一般為一到幾個小時，在10分鐘，湍流波動的平均值為零。

湍流產(chǎn)生的原因主要有兩個:一個是當氣流流動時，由于地形差異(如山峰)造成的與地表的摩擦或者阻滯作用;另一個是因為大氣溫度差異和空氣密度差異引起的氣流垂直流動。通常這兩種原因彼此影響。例如，當氣流經(jīng)過高山時就會被迫流向溫度較低的地區(qū)，這時氣流與大氣環(huán)境的熱平衡被打破，引起風速波動。

湍流顯然是一個復雜的隨機過程，并且不用簡單明確的方程來表示，我們能可以通過統(tǒng)計規(guī)律來研究湍流。針對湍流統(tǒng)計規(guī)律的描述有很多，關鍵在于找出是湍流強度和陣能哪一種夠在實際工程中得到最好的應用，最簡單的統(tǒng)計描述就是湍流度和風因子。其中，湍流強度是對湍流總體水平的度量。

在進行CFD數(shù)值模擬的時候，往往需要估計計算入口處湍流強度的數(shù)值。如果想估計的準，必須要進行一些實際的測量或者要有一定的實際經(jīng)驗。以下是一些估計計算入口湍流度的方法。

1. 較高湍流度的情況：在復雜幾何形狀內(nèi)部進行的高速流動一般湍流度在5%---20%。比如熱交換機，渦輪，壓縮機等。

2. 中度湍流度的情況：在類似于較粗的管子內(nèi)流動的不太復雜的流動，較低速度(雷諾數(shù))流動等。此時一般來說湍流度在1%---5%。

3. 低湍流度的情況：來源于靜止的氣流的流動。比如，汽車相對與靜止的空氣在運動，潛水艇外部的流動，航空飛行器的飛行。當然，高質(zhì)量的風洞也可以產(chǎn)生較低湍流度的流動。此時湍流度一般都低于1%。對于無風時的時候，相對于航空飛行器的空氣的湍流度大約為萬分之八。

PCG是一種求解方程組的迭代法，特點有有快速收斂、存儲量小等。

外文名

PCG

定義

一種求解方程組的迭代法

特點

有快速收斂

預處理共軛梯度法是。不必預先估計參數(shù)等特點。

共軛梯度法近年來在求解大型稀疏方程組中取得了較好的成效。理論上普通的共扼梯度法對于對稱超正定方程，只要迭代步數(shù)達到方程的階數(shù)就可以得到精確解，但實際上當系數(shù)矩陣的條件數(shù)(最大最小特征值之比)很大時，普通的共軛梯度法收斂速度很慢。預處理共軛梯度法對系數(shù)矩陣作預處理，以加速迭代收斂速度。2100433B