湍流效應(yīng)

大氣湍流效應(yīng)造成大氣折射率的隨機起伏，使接收光信號閃爍、漂移，相當于引入了很大的隨機噪聲，使誤碼率增加。

大氣湍流效應(yīng)引起的接收光信號閃爍，可以用多光束同步發(fā)射和大孔徑光學接收天線來減少其影響。多光束同步發(fā)射是用幾個不同位置(相距200mm左右)的激光器發(fā)送同樣的信息，此舉顯然能夠增加信號的可靠性，但成本也會相應(yīng)增加。2100433B

德國馬克斯·普朗克綜合技術(shù)系統(tǒng)動力學研究所、美國康奈爾大學、法國國家科研中心實驗室、丹麥里索國家實驗室的專家成功觀察到，在強湍流情況下粒子是如何運動的，實驗是利用專門研制的高速照相機系統(tǒng)進行的。

在所示照片中表示某些粒子在湍流中的軌跡，圖中的顏色表示粒子的速度，藍色表示粒子緩慢的速度，紅色表示快速，綠色表示中等速度。在另一幅照片中表示在湍流中移動的大量聚苯乙烯小球（直徑25微米），照片是在綠色激光照明下拍攝的。

觀察到的粒子性能很符合巴特切羅爾條件，根據(jù)巴特切羅爾條件能描述地球上幾乎全部的湍流運動。另外，在渦流中從一個地方流出的粒子分離實際要比理論上緩慢很多。

重顆粒在湍流渦離心力和重力作用下，可表現(xiàn)出聚團和焦散效應(yīng)（流場中同一點對應(yīng)多個不同的顆粒速度）等顯著特征，從而影響顆粒碰撞率及物理或化學反應(yīng)速率。它們是顆粒對在湍流作用下相對擴散的結(jié)果。我們采用直接數(shù)值模擬的方法求解各向同性湍流場，采用拉格朗日方法跟蹤顆粒，其中顆粒采用點力模型，同時考慮顆粒與湍流、顆粒與顆粒間4向耦合作用。重力的引入使得顆粒與各向同性湍流的作用時間變得各向異性。主要研究內(nèi)容包括：不同湍流雷諾數(shù)、顆粒Stokes數(shù)及重力Froude 數(shù)下(1)顆粒聚團、顆粒相對速度和焦散效應(yīng);(2)顆粒的時間正向、反向相對擴散時間的非對稱性；（3）相對速度概率密度函數(shù)動理學方程中各向異性擴散系數(shù)的構(gòu)建；（4）反卷積與隨機微分方程耦合的顆粒亞格子模型等。課題預期結(jié)果對加深理解沉降速度、顆粒慣性對湍流相對擴散、顆粒聚集和焦散效應(yīng)及提高大渦模擬預測相對擴散的精度等方面有重要的科學意義。

攜帶顆粒的湍流在人們?nèi)粘Ｉ?、環(huán)境和工業(yè)流動中廣泛存在，例如河流中泥沙的輸運，大氣中污染物的擴散，大氣中雨滴的形成，發(fā)動機噴霧燃燒等。研究湍流中的重顆粒在湍流渦結(jié)構(gòu)離心力和重力雙重作用下的聚團、相對運動以及焦散效應(yīng)（流場中同一點具有多個不同的顆粒速度）機理具有重要的科學意義和應(yīng)用價值。我們采用直接數(shù)值模擬的方法求解各向同性湍流場，采用拉格朗日方法跟蹤顆粒，其中顆粒采用點力模型。主要研究內(nèi)容包括不同湍流雷諾數(shù)、顆粒Stokes數(shù)及重力Froude 數(shù)下顆粒聚團、顆粒相對速度和焦散效應(yīng)的物理機制；顆粒的正向、反向相對擴散時間的非對稱性；反卷積與運動學合成湍流的顆粒亞格子模型等。通過該項目，我們提出了沉降顆粒對在湍流中沉降特征時間尺度模型，并利用該時間尺度提出了一個依賴于沉降速度的等效Kubo 數(shù)的概念。在大Stokes 數(shù)，小Kubo數(shù)下，湍流中在重力作用下增強顆粒聚團程度的機理是顆粒在無關(guān)聯(lián)的隨機場中運動過程中，在顆粒慣性和乘積放大機理作用下，顆粒的聚集增強。我們基于時間向后擴散，研究了顆粒相對速度概率密度分布函數(shù)的變化趨勢。在大Stokes 下顆粒相對速度間歇性增強歸因于顆粒無法有效分離，顆粒對傾向于遍歷間歇性更強的小尺度湍流結(jié)構(gòu)，最終導致顆粒的相對速度的間歇性增強。在小Stokes 數(shù)下，顆粒的聚集程度變?nèi)?，顆粒分布更加均勻，顆粒對遍歷流場速度梯度也更加均勻，使得顆粒相對速度的間歇性變?nèi)酢?2100433B

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(gòu)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(guān)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(yīng)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。