波浪表面拟分层效应下海气边界层湍流结构和通量输运相关性的研究

In the gravity field with temperature gradient and density gradient, the stratification is caused by the buoyancy effect of the non-uniform turbulent flow, which has a significant impact on the turbulent mixing and transport. The study investigates the role of air-sea interface using direct numerical simulations of marine atmospheric boundary layer under stratification induced by sea spray. The project focuses on the following basic issues: The evolution of large/small turbulent structures and their effects on momentum, heat and mass transport; The atmosphere-wave coupling on air-sea exchange and the dissimilarity of turbulent transport of momentum and scalars in the presence of stratification. The influence of time-varying local gradient Richardson on the turbulent transport of momentum and scalars (water vapour and temperature). The study may reveal the dynamic and thermodynamic mechanisms between multiple physical fields, such as flow field, the thermal field and the water vapor concentration field in the air-sea boundary layer, so as to provide a physical basis for the numerical prediction of turbulent fluxes model.

在存在温度梯度和密度梯度的重力场中，非均匀湍流因浮力作用会产生分层现象，并对湍流混合和输运产生显著影响。本项目旨在采用直接模拟方法，着重研究以下基本问题：波浪表面海洋飞沫诱发的分层效应下，海气边界层大/小尺度湍流结构演化发展规律及其和动量、热量和质量输运的相关性；波浪与大气湍流边界层相互作用，以及对湍流动量输运和标量输运的差异性影响；随时间变化的局部梯度Richardson数对湍流特性和传热性质的影响。通过本项研究能够揭示海气边界层流场、热场和水汽浓度场等多物理场间相互作用的动力学和热力学机制，从而为更科学地建立数值预测的湍流通量模型提供流动物理基础。

着重研究以下基本问题：波浪表面海洋飞沫诱发的分层效应下，海气边界层大尺度和小尺度湍流结构演化发展规律及其和动量、热量和质量输运的相关性；波浪与大气湍流边界层相互作用，以及对湍流动量输运和标量输运的差异性影响。另外，增加了“复杂界面影响湍流结构和通量输运的研究” 以期深入了解具有如表面波、振荡边界层、渗透层、粗糙壁面等复杂界面的湍流结构和通量输运相关性。通过本项研究取得的成果，能够揭示海气边界层流场、热场和水汽浓度场等多物理场间相互作用的动力学和热力学机制，为更科学地建立数值预测的湍流通量模型提供流动物理基础。在基金支持下，本项目取得了一系列成果，发表了相关研究的高质量SCI论文14篇，包括JFM、PoF、Int J Heat Mass Transfer、Water Resource research、computers Fluids等国际权威期刊；与国内外学术同行建立更为广泛有效的交流与合作，提高了研究组在该领域的学术影响；培养取得博士、硕士学位研究生共5名，另外一名博士生通过“国家建设高水平大学公派联合培养研究生项目”和美国明尼苏达大学进行联合培养。