湍流梯度法

總體而言，與渦度相關(guān)技術(shù)相比，梯度法物理概念簡(jiǎn)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(cè)資料，就可以進(jìn)行長(zhǎng)期的熱量、水汽、CO2以及其他痕量氣體的通量計(jì)算與研究，因此在儀器的測(cè)定精度、觀測(cè)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(cè)中常用的技術(shù)。但梯度法也存在幾方面的問(wèn)題，首先，如何在非理想大氣層結(jié)條件下計(jì)算通量。例如有研究表明，當(dāng)風(fēng)速與不同高度水汽壓差小于2.0 m·s^-1與0.5 hpa時(shí)，利用梯度法所觀測(cè)的顯熱與潛熱通量的相對(duì)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(jìn)行廓線梯度觀測(cè)，這使其適用范圍受到限制，比如在水面上的觀測(cè)。

梯度法是利用兩個(gè)高度或兩個(gè)以上高度測(cè)定的風(fēng)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(cè)定通量時(shí)，至少需要在兩個(gè)高度設(shè)置風(fēng)速計(jì)和溫、濕度計(jì)，并設(shè)置對(duì)象氣體的濃度分析儀(或吸入口)。因?yàn)閮筛叨鹊娘L(fēng)速、氣溫和物質(zhì)的濃度差一般很小，所以要求觀測(cè)儀器的精度很高，風(fēng)速、氣溫和水汽壓的誤差很小。

湍流在空氣動(dòng)力學(xué)中指的是短時(shí)間(一般少于10min)內(nèi)的風(fēng)速波動(dòng)。為了有效地描述風(fēng)，將它認(rèn)為是通過(guò)天氣、晝夜、季節(jié)的平均風(fēng)速和湍流的風(fēng)速波動(dòng)疊加構(gòu)成的。這些風(fēng)速波動(dòng)的周期一般為一到幾個(gè)小時(shí)，在10分鐘，湍流波動(dòng)的平均值為零。

湍流產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè):一個(gè)是當(dāng)氣流流動(dòng)時(shí)，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(gè)是因?yàn)榇髿鉁囟炔町惡涂諝饷芏炔町愐鸬臍饬鞔怪绷鲃?dòng)。通常這兩種原因彼此影響。例如，當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)高山時(shí)就會(huì)被迫流向溫度較低的地區(qū)，這時(shí)氣流與大氣環(huán)境的熱平衡被打破，引起風(fēng)速波動(dòng)。

湍流顯然是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過(guò)程，并且不用簡(jiǎn)單明確的方程來(lái)表示，我們能可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)規(guī)律來(lái)研究湍流。針對(duì)湍流統(tǒng)計(jì)規(guī)律的描述有很多，關(guān)鍵在于找出是湍流強(qiáng)度和陣能哪一種夠在實(shí)際工程中得到最好的應(yīng)用，最簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)描述就是湍流度和風(fēng)因子。其中，湍流強(qiáng)度是對(duì)湍流總體水平的度量。

在進(jìn)行CFD數(shù)值模擬的時(shí)候，往往需要估計(jì)計(jì)算入口處湍流強(qiáng)度的數(shù)值。如果想估計(jì)的準(zhǔn)，必須要進(jìn)行一些實(shí)際的測(cè)量或者要有一定的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。以下是一些估計(jì)計(jì)算入口湍流度的方法。

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

2. 中度湍流度的情況：在類似于較粗的管子內(nèi)流動(dòng)的不太復(fù)雜的流動(dòng)，較低速度(雷諾數(shù))流動(dòng)等。此時(shí)一般來(lái)說(shuō)湍流度在1%---5%。

3. 低湍流度的情況：來(lái)源于靜止的氣流的流動(dòng)。比如，汽車相對(duì)與靜止的空氣在運(yùn)動(dòng)，潛水艇外部的流動(dòng)，航空飛行器的飛行。當(dāng)然，高質(zhì)量的風(fēng)洞也可以產(chǎn)生較低湍流度的流動(dòng)。此時(shí)湍流度一般都低于1%。對(duì)于無(wú)風(fēng)時(shí)的時(shí)候，相對(duì)于航空飛行器的空氣的湍流度大約為萬(wàn)分之八。

PCG是一種求解方程組的迭代法，特點(diǎn)有有快速收斂、存儲(chǔ)量小等。

外文名

PCG

定義

一種求解方程組的迭代法

特點(diǎn)

有快速收斂

預(yù)處理共軛梯度法是。不必預(yù)先估計(jì)參數(shù)等特點(diǎn)。

共軛梯度法近年來(lái)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(duì)于對(duì)稱超正定方程，只要迭代步數(shù)達(dá)到方程的階數(shù)就可以得到精確解，但實(shí)際上當(dāng)系數(shù)矩陣的條件數(shù)(最大最小特征值之比)很大時(shí)，普通的共軛梯度法收斂速度很慢。預(yù)處理共軛梯度法對(duì)系數(shù)矩陣作預(yù)處理，以加速迭代收斂速度。2100433B