剪切对流边界层内湍流卷积动力学特性研究

Sheared convective boundary layers (SCBLs) are turbulent boundary layers in which there is significant turbulence generation by both shear and convective motions. A SCBL is generally covered by a thin stably stratified fluid (i.e. entrainment zone). It is of considerable significance to have a good understanding of the entrainment flow dynamics within the entrainment zone for atmospheric science and environmental and engineering applications. The vast majority of existing research into SCBLs has been in the form of observational measurements and numerical simulations of field scale atmospheric flows. Nevertheless, it is shown that the high controllability, high measurement accuracy and high resolution in the laboratory-scale experiments and numerical simulation ensure them, together with the scaling analysis which represents various complex turbulent processes with clear underpinning physics, to be the keys to solve various puzzles in turbulent SCBLs. However, the current understanding of the turbulent entrainment characteristics in SCBLs is lacking and the relevant laboratory-scale experiments and numerical simulation have not yet been undertaken. Hence, based on our previous research on boundary layers and buoyant flows, this project uses a comprehensive approach to combine the cutting-edge PIV/PLIF experimental methods and high-resolution LES and DNS numerical simulation techniques at the aboratory-scale with scaling analysis to investigate the turbulent entrainment flow dynamics in SCBLs, to establish scaling relations for parameters characterizing turbulence such as entrainment rate, and to develop improved models for sub-filter scale turbulence for use in LES simulations of flows with significant regions of sheared, stable stratification.

剪切对流边界层（SCBL）中湍流的产生是由剪切和浮力对流共同作用的结果。它通常由一层较薄的稳定分层流体（即卷积区）所覆盖。对卷吸区内所产生的卷吸流动特性的了解对于大气科学、环境和工程技术应用具有极其重要的科学意义。现有的SCBL研究工作主要集中在实地尺度大气流动的实地观测和数值模拟上。然而，分析表明实验室尺度实验测量和数值模拟的高可操作性、高测量精度和高分辨率使得它们和代表各种复杂湍流过程清晰物理意义的标度分析一起是解开各种谜团的关键所在。但目前对SCBL湍流卷吸特性的了解十分欠缺，相关的实验室尺度实验和数值模拟研究工作还有待深入开展。因此，本项目在前期研究基础之上综合利用实验室尺度上处于研究前沿的PIV/PLIF实验方法和高分辨率的LES和DNS数值方法，并配合标度分析来研究SCBL湍流卷吸的动力学特性，建立卷吸率等湍流特性参数的标度关系，并开发准确LES稳定分层流的新型亚格子湍流模型。

当太阳入射大气层时，由于辐射能逐渐被沿程大气吸收而沿入射路径逐渐衰减，导致大气出现明显密度分层流动而形成大气对流边界层。当边界层存在层间速度差时，由此产生的剪切应力使得对流边界层内的卷积湍流特征出现明显的差异。研究存在速度剪切的对流边界层卷积湍流特征对于大气科学、河流动力学、水环境污染治理和保护，以及一系列环境和工程技术应用具有极其重要的科学意义。. 本项目以水平干燥均匀的剪切对流大气边界层为研究对象，通过大涡模拟计算和对流水槽实验的研究方法，分析对边界层内湍流流场的特征及主要特征量的分布规律，探索剪切对卷积的影响，寻找特征量之间的标度关系。. 结果表明，边界层内的湍流流场受浮力和剪切双重因素交叉影响，位温、速度等特征量在混合层呈恒定分布，而卷积区出现较大梯度。湍动能、速度的高阶因子的垂向廓线显示流场的各向异性和间歇性特征强于纯对流边界层。卷积区出现条带状大涡湍流状；地面温度峰面沿展向呈两条间距约1.5倍特征长度的带状分布，说明卷积涡的流向尺度大约为1.5倍的特征高度。. 卷积区高度和湍流形态主要受层间位温梯度和地面浮力通量、分层处速度剪切强度等边界条件影响，其中前者对卷积起到抑制作用，而后两者起到正向激励作用。通过卷积通量比和剪切产生湍动能被卷积消耗的比例来分析和量化剪切对卷积的促进作用。结果显示，在本项目研究范围内，卷积通量比为0.176 ~ 0.385，相比纯浮力CBL中的0.2有明显增加，说明剪切产生的湍动能增加了湍动能输运方程中卷积消耗部分的比例。基于CBL“一阶模型”的湍动能方程，分别计算剪切和浮力湍动能的产生和消耗项，建立了剪切产生的湍动能用于促进卷积发生部分比例的计算公式，结果显示该比值在0.3 ~ 0.38范围，且随剪切增强而略有增加趋势。. 通过引入剪切效应参数对流场特征对流速度定标，充分考虑剪切因素对边界层卷积过程的影响，建立无量纲卷积层厚度Δz/zi与理查森数Ri之间的标度关系，并经模拟数据与实验数据拟合校验。