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大气边界层湍动能标度关系试验研究

杨海博  薄天利  郑晓静  
【摘要】:本文针对基于附着涡理论得到的湍动能标度率在ASL对数区内适用性这一问题开展了实验研究。本文通过对在大气边界层获得的30m(0.2倍边界层厚度)以下的实时同步多点三维风速数据的分析发现:1)流向、展向湍动能的标度关系与基于附着涡理论得到的标度率结果一致,而且,高雷诺数的结果与中低雷诺数的结果都能很好的与模型预测结果吻合。这说明在ASL中附着涡假定对于流向和展向风速是适用的,而且,支持了在高雷诺数情况雷诺相似假定;2)垂向湍动能的标度关系(随着高度的增加垂向湍流强度近似呈线性增加)和基于附着涡模型得到的标度关系存在明显的定性上的差异。另外,本文分析了大尺度和小尺度湍流脉动对三个方向速度分量湍动能的贡献以及根据两点相关得到的不同高度处的湍流结构特征。结果表明在对数区中下部大尺度湍流结构对流向和展向湍动能的贡献与小尺度湍流结构相当,随着高度增加小尺度脉动湍动能急剧减小,大尺度脉动成了湍流脉动的主要组成部分,大尺度结构逐渐成为湍流结构的主要部分。垂向分量则表现出不同的规律,即,在对数区中下部大尺度湍流结构对垂向湍动能的贡献较小,几乎为零,随着高度的增加大尺度脉动对垂向湍动能的贡献急剧增大,逐渐成为不可忽略的部分,也就是说湍流结构表现出的大尺度结构性质越来越明显。这一结果能够很好的解释为什么在ASL中流向和展向分量能够满足基于附着涡理论的标度率,但是,垂向速度分量则不满足。原因在于在附着涡理论中对于流向和展向速度分量考虑了参考点以上所有大涡结构的影响,而垂向分量则完全忽略了这部分影响。

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