不同层结的大气表面层中大/超大尺度对小尺度湍流运动的振幅调制

The phenomenon of large- and very-large-scale amplitude modulation of the small-scale motions challenges the view of self-sustaining near-wall turbulence, suggests the viability of specifically targeting the large- and very-large-scale structures in order to control turbulence, and can be used to predict the behavior of the near-wall turbulent motions. At present, studies about the amplitude modulation are mostly conducted in pure shear turbulence at low or moderate Reynolds number. Much less is known about the amplitude modulation under high Reynolds number and different thermal stability conditions. The method of decomposing the fluctuating velocity into the large-scale and the small-scale to quantify the degree of amplitude modulation is usually subjective and lacks of basis. This project will perform synchronous multipoint measurements in atmospheric surface layers to obtain high Reynolds number and different thermal stability flow data. Based on the selected high-quality data, the amplitude modulation between multi-scaled turbulent motions will be investigated to propose a reasonable and accurate method of decomposing the fluctuating velocity. On this basis, the Reynolds number scaling of the amplitude modulation in high Reynolds number flows will be analyzed, the variation of the amplitude modulation with the Monin-Obukhov stability parameter will be revealed, and the mechanisms of the thermal stability effects will be discussed. The work of this project will contribute to a better understanding of the interaction between multi-scaled turbulent motions, and may be used to validate and improve the existing numerical models to accurately predict the atmospheric surface layer flows under different conditions. This would be helpful to the simulation and the prevention of the sand/dust storms.

大/超大尺度湍流运动对小尺度的振幅调制作用使我们对湍流的形成与发展有新的理解，是近壁风速和壁面剪切应力预测模型的基础和前提，并对流动控制有指导作用。目前对振幅调制作用的研究集中在中低雷诺数条件下的纯剪切湍流，高雷诺数以及有热力因素叠加作用时振幅调制作用的变化仍不清楚；并且其定量化方法中的尺度分解具有一定的主观性，缺乏依据。本项目基于对不同热稳定性条件下高雷诺数大气表面层流场的多点同步观测，通过研究不同尺度湍流运动间的振幅调制，确定合理、准确计算振幅调制系数的尺度分解方法；进一步分析高雷诺数流动中振幅调制的雷诺数效应；以及不同层结条件下热稳定性对振幅调制影响的规律及机制。促进对多尺度的湍流信号中各种不同尺度流动间相互作用机理的深入认识；并可用于验证和改进现有的数值模型，以实现对不同情形下大气表面层流动的准确预测，为沙尘暴的准确模拟及有效防治提供帮助。

超大尺度结构对小尺度的振幅调制使研究者们对湍流的形成与发展有了新的理解，可用于近壁风速和壁面剪切应力的预测，并对流动控制有指导作用。但由于计算能力和实验条件的限制，相关研究大都集中在中低雷诺数条件下的纯剪切湍流中，高雷诺数以及有热力因素影响时幅值调制作用的变化仍不清楚，并且缺乏对振幅调制尺度效应的研究，导致其研究对象尚不明确。.本项目基于青土湖观测列阵（简称：QLOA）对高雷诺数大气表面层进行长期观测得到的大量不同空间位置、不同雷诺数以及不同热稳定性条件下的高质量实验数据，分析了不同尺度湍流运动间的振幅调制，揭示了其尺度效应，在此基础上改进了振幅调制的定量化方法；并通过不同雷诺数条件下振幅调制系数的分析揭示了其雷诺数效应，建立了表征模型；最后，分析了超大尺度结构及其振幅调制随热稳定性变化的规律，揭示了其热效应。.发现并非所有不同尺度的湍流运动间都存在振幅调制，而是只存在于一些特定尺度的运动，尺度大于预乘能谱低波数端峰值尺度、含能最为显著的超大尺度运动有显著的振幅调制作用，而尺度小于预乘能谱高波数端峰值尺度的非含能小尺度运动受调制作用的影响最明显。给出了峰值尺度与边界层厚度及局地高度的标度关系，并据此改进了计算振幅调制系数时的尺度分解方法，得到的调制系数显著大于改进前的结果，并随雷诺数以对数线性的规律增加，提出了同时考虑雷诺数及高度的振幅调制系数的表征模型。最后，在有热流叠加作用的非纯剪切湍流中发现超大尺度结构的能量、振幅调制系数峰值大小及对应的特征尺度随热力不稳定性的增强而增加，并且其变化规律都可由相同的函数形式表征。