79 / 2022-08-06 16:51:44

高雷诺数风沙两相壁湍流中的幅值调制

大气表面层，高雷诺数，幅值调制，风沙两相流，超大尺度结构

近年来野外大气表面层观测极大的推动了高雷诺数壁湍流的研究进展，尤其是对风沙流和沙尘暴这种典型风沙两相流的观测将气-固两相壁湍流的研究推到了极高的雷诺数条件下。为此，该工作利用在青土湖观测列阵中所获得的风速脉动和颗粒浓度数据，研究了高雷诺数风沙两相壁湍流中对揭示不同尺度运动间的相互作用规律有重要意义的幅值调制现象。结果表明，含沙流动中流向风速脉动的幅值调制系数随沙尘浓度的增加以对数线性的规律减小，而其特征尺度基本保持不变。进一步分析发现这是由于风沙两相流中沙尘颗粒的存在没有改变含能最为显著的结构尺度，但改变了能量在不同尺度湍流运动间的分布，使超大尺度结构的含能增加但含能比减小。此外，含沙流场中的大尺度湍流脉动对颗粒浓度脉动也存在显著的幅值调制作用，但对较小粒径粉尘浓度和较大粒径跃移沙粒的作用相反。结合幅值调制强弱及其所反映的相位关系，揭示了湍流结构和沙尘浓度脉动结构的空间位置关系，推导出了两者结构倾角间的定量关系式，与实验测量结果能够很好的吻合。这些发现有助于深入认识颗粒-湍流相互作用，进而为提出湍流动力学与颗粒运动学的统一模型提供理论支撑。