旋转斜压流体中急流演化的实验研究.pdfVIP

2001 第六届全国流体力学会议论文集 上海 旋转斜压流体中急流演化的实验研究 魏岗、” 苏晓冰” 马晨明’ (上海太学应用教学和力学研究所，上海200072)‘1解放军曩工大学，南京211t01) 摘要根据斜压不稳定的一般理论，以Burger数作为斜压不稳定临界判据．实验结果与理论 分析基本一致；通过实验，探讨了旋转流体斜压波中表面波状急流及急流三维温度结构的演 化规律。 关键词斜压不稳定．旋转流体，急流 引 言 急流(ietstream)是一种大气运动的典型特征形式，转环系统内斜压流体中的急流结构与 1MO．(国际气象组织高空技术委员会)定义的急流具有极其相似的特征，同时它也是判断这 一非线性系统中各平衡态和非平衡演化的主要特征形式。 在实验室模拟方面，早期的工作有对表面稳定的急流的研究【”∞；对负径向温度梯度下急 流的研究川，但未涉及急流的内部结构；对表面不稳定波状总流的振荡研究旧；对急流频谱分 析的研究【“】；文献【9】用实验获得了表面急流温度分布的精细结构．此外．还有考虑Ekman 效应，口效应等更接近实际的实验模拟。但其对急流影响的研究亦只限于对表面特征变化的 讨论。 本文通过实验方法探索了具有负径向温度梯度下转环系统中表面急流演化的一般特征， 由精细地测量对流槽中的三维温度，研究了急流的三维温度结构的演化规律。根据斜压不稳 定的一般理论，将Burger数做为旋转斜压流体中急流不稳定临界判据的实验参数。 1实验装置和方法 实验装置同文献[13】。表面急流的速度场测量由双光束型二维激光多普勒(LDV)测速 仪采用后向接收完成，急流温度场的测量由多探头自动检测温度仪完成，测量方法同文献[91。 2实验的数学模型 2．1流体运动的基本假设 根据旋转斜压流体实际运动特点，引入下列假设： 膨胀的常系数．芦，T分别为平均密度和平均湿度。 (2)考虑对流室的宽度远小于其平均半径．即，此时忽略曲率的几何效应．极坐标可变 r1 r 1 、 1 换为笛卡尔直角坐标，即：0，Y，：)=I÷曲+4Ⅻ，一lr一{p+口)I，=l Lz ＼ z ／ J (3)考虑稳态密度风(弘z)=4y+皿，其中．一=Opo／砂，占=印o，OZ为常数。 (4)忽略内区的黏性效应一=0)和热传导效应忙=O)，但需考虑边界的Ekman效应。 2．2运动方程和边界条件 根据上述假设，描述旋转斜压流动运动基态和扰动方程l“】可化为 192 警+挈+掣：0 Ouj_t+堕+盟：0 出 印 oz 出 却 出 。 ‘ p∞ D z砜=吉誓 粤dt州挚dz—zn，=一吉塾Ox 肿：+2血。：一占挚 和 单+2胁，：一占塾 p却 P印dt p出 ．D D 。一吉警一g 粤dt=一吉挚Oz一告占 m 盘 “。警w。等+wo警-o删 孥dt¨訾+M警=o钟 出 其中票：昙+190。7p--。。考虑侧边界的无滑移条件和上、下底边界的Ekm∞抽吸效应，则有 nr 叫0耳 边界条件