论文部分内容阅读
高雷诺数壁湍流是自然界和工业界最常见的一种流动状态。大气表面层观测提供了一种获得高雷诺数流动的有效途径,并且目前通过大气表面层观测能获得陆地上最高雷诺数壁湍流流动（Guala et al.2006;Marusic et al.2010）。由于野外流向观测很困难,因此目前大多数学者采用泰勒冻结假设估计大气表面层湍流结构的流向特征。然而泰勒冻结假设在大气表面层的适用性还有待进一步研究。为此本文采用青土湖野外观测列阵（简称“QLOA”）的流向列阵实现了大气表面层流向多点同步测量,并通过不同流向位置处的高质量多点同步数据对近中性大气表面层对数区中下部泰勒冻结假设适用性进行了研究。此外本文还分析了造成泰勒冻结假设适用性下降的原因,并对泰勒冻结假设在近中性大气表面层估计流向速度空间互相关函数和大尺度相干结构平均流向尺度方面进行了修正。本文得到的主要结果有:1)首次直接测量了近中性大气表面层大尺度相干结构平均流向尺度,此外还直接测量了近中性大气表面层流向速度空间互相关函数,流向速度时空互相关函数和流向速度二阶结构函数;2)通过对比实测结果与采用泰勒冻结假设估计结果的差异检验了近中性大气表面层泰勒冻结假设适用性。结果表明采用泰勒冻结假设会低估近中性大气表面层对数区中下部大尺度相干结构流向尺度15±6%。并且采用泰勒冻结假设估计的流向速度空间互相关函数与实测结果在互相关函数尾部存在明显差异。此外在近中性大气表面层对数区中下部,通过泰勒冻结假设估计的流向速度功率谱kx-1谱区可能不准确。相反,采用流向速度二阶结构函数惯性区对数标度关系可以间接证明近中性大气表面层对数区中下部存在kx-1谱区。尽管椭圆模型通过考虑湍流结构变形对泰勒冻结假设进行了修正,但是采用基于均匀剪切流动通过理论推导获得的对流速度和变形速度（也称下扫速度）,由椭圆模型估计的流向速度时空互相关函数与实测结果依然存在很大差异;3)通过考虑大气表面层湍流结构变形对椭圆模型在近中性大气表面层的应用进行了修正。此外本文还提出了一种通过考虑不同尺度湍流结构迁移速度修正泰勒冻结假设的方法,通过该方法可以更加准确地获得近中性大气表面层流向速度空间互相关函数和大尺度相干结构平均流向尺度。