湍流效应

大气湍流效应造成大气折射率的随机起伏，使接收光信号闪烁、漂移，相当于引入了很大的随机噪声，使误码率增加。

大气湍流效应引起的接收光信号闪烁，可以用多光束同步发射和大孔径光学接收天线来减少其影响。多光束同步发射是用几个不同位置(相距200mm左右)的激光器发送同样的信息，此举显然能够增加信号的可靠性，但成本也会相应增加。2100433B

德国马克斯·普朗克综合技术系统动力学研究所、美国康奈尔大学、法国国家科研中心实验室、丹麦里索国家实验室的专家成功观察到，在强湍流情况下粒子是如何运动的，实验是利用专门研制的高速照相机系统进行的。

在所示照片中表示某些粒子在湍流中的轨迹，图中的颜色表示粒子的速度，蓝色表示粒子缓慢的速度，红色表示快速，绿色表示中等速度。在另一幅照片中表示在湍流中移动的大量聚苯乙烯小球（直径25微米），照片是在绿色激光照明下拍摄的。

观察到的粒子性能很符合巴特切罗尔条件，根据巴特切罗尔条件能描述地球上几乎全部的湍流运动。另外，在涡流中从一个地方流出的粒子分离实际要比理论上缓慢很多。

重颗粒在湍流涡离心力和重力作用下，可表现出聚团和焦散效应（流场中同一点对应多个不同的颗粒速度）等显著特征，从而影响颗粒碰撞率及物理或化学反应速率。它们是颗粒对在湍流作用下相对扩散的结果。我们采用直接数值模拟的方法求解各向同性湍流场，采用拉格朗日方法跟踪颗粒，其中颗粒采用点力模型，同时考虑颗粒与湍流、颗粒与颗粒间4向耦合作用。重力的引入使得颗粒与各向同性湍流的作用时间变得各向异性。主要研究内容包括：不同湍流雷诺数、颗粒Stokes数及重力Froude 数下(1)颗粒聚团、颗粒相对速度和焦散效应;(2)颗粒的时间正向、反向相对扩散时间的非对称性；（3）相对速度概率密度函数动理学方程中各向异性扩散系数的构建；（4）反卷积与随机微分方程耦合的颗粒亚格子模型等。课题预期结果对加深理解沉降速度、颗粒惯性对湍流相对扩散、颗粒聚集和焦散效应及提高大涡模拟预测相对扩散的精度等方面有重要的科学意义。

携带颗粒的湍流在人们日常生活、环境和工业流动中广泛存在，例如河流中泥沙的输运，大气中污染物的扩散，大气中雨滴的形成，发动机喷雾燃烧等。研究湍流中的重颗粒在湍流涡结构离心力和重力双重作用下的聚团、相对运动以及焦散效应（流场中同一点具有多个不同的颗粒速度）机理具有重要的科学意义和应用价值。我们采用直接数值模拟的方法求解各向同性湍流场，采用拉格朗日方法跟踪颗粒，其中颗粒采用点力模型。主要研究内容包括不同湍流雷诺数、颗粒Stokes数及重力Froude 数下颗粒聚团、颗粒相对速度和焦散效应的物理机制；颗粒的正向、反向相对扩散时间的非对称性；反卷积与运动学合成湍流的颗粒亚格子模型等。通过该项目，我们提出了沉降颗粒对在湍流中沉降特征时间尺度模型，并利用该时间尺度提出了一个依赖于沉降速度的等效Kubo 数的概念。在大Stokes 数，小Kubo数下，湍流中在重力作用下增强颗粒聚团程度的机理是颗粒在无关联的随机场中运动过程中，在颗粒惯性和乘积放大机理作用下，颗粒的聚集增强。我们基于时间向后扩散，研究了颗粒相对速度概率密度分布函数的变化趋势。在大Stokes 下颗粒相对速度间歇性增强归因于颗粒无法有效分离，颗粒对倾向于遍历间歇性更强的小尺度湍流结构，最终导致颗粒的相对速度的间歇性增强。在小Stokes 数下，颗粒的聚集程度变弱，颗粒分布更加均匀，颗粒对遍历流场速度梯度也更加均匀，使得颗粒相对速度的间歇性变弱。 2100433B

湍流在空气动力学中指的是短时间(一般少于10min)内的风速波动。为了有效地描述风，将它认为是通过天气、昼夜、季节的平均风速和湍流的风速波动叠加构成的。这些风速波动的周期一般为一到几个小时，在10分钟，湍流波动的平均值为零。

湍流产生的原因主要有两个:一个是当气流流动时，由于地形差异(如山峰)造成的与地表的摩擦或者阻滞作用;另一个是因为大气温度差异和空气密度差异引起的气流垂直流动。通常这两种原因彼此影响。例如，当气流经过高山时就会被迫流向温度较低的地区，这时气流与大气环境的热平衡被打破，引起风速波动。

湍流显然是一个复杂的随机过程，并且不用简单明确的方程来表示，我们能可以通过统计规律来研究湍流。针对湍流统计规律的描述有很多，关键在于找出是湍流强度和阵能哪一种够在实际工程中得到最好的应用，最简单的统计描述就是湍流度和风因子。其中，湍流强度是对湍流总体水平的度量。