第32卷第3期电子科技大学学报V ol.32 No.3 2003年6月 Journal of UEST of China Jun. 2003 大气湍流引发图像畸变的校正研究 钱雪彪*刘永智 (电子科技大学宽带光纤传输与通信系统技术国家重点实验室成都 610054) 【摘要】用CCD(电荷耦合器件)拍摄远距离目标时，大气湍流使得图像发生畸变，导致CCD无法有效的用于远距离目标的识别与监控。由此该文分析了大气湍流的原理及对图像的主要影响，提出了克服大气湍流影响的有 效方法，实验证明，取得较好的效果。 关键词电荷耦合器件; 图像传感; 大气湍流; 图像畸变; 图像校正 中图分类号TN911.73 文献标识码 A Research of Correct Image Distortion Caused by Atmosphere Turbulence Qian Xuebiao Liu Yongzhi (State Key Laboratory of Broadband Optical Fiber Transmission and Communication Networks, UEST of China Chengdu 610054) Abstract The image will be distorted when we take the object’s picture with CCD at long range because of atmosphere turbulence. We can’t availably recognize and monitor long distance object for this reason. This article explained the theory of atmosphere turbulence and the main affection to image caused by atmosphere turbulence. The solution was given to correct image distortion. The effect of the solution is proved by experiment. Key words charge coupled device; image sense; atmosphere turbulence; image distortion; correct 在传感领域基于(charge coupled device，CCD)的图像传感系统是当前研究的一大热点，该系统使用CCD 摄取目标图像，通过图像处理得到所需信息，具有非接触、信息量大以及灵敏度高等优点，已经在图样识别、几何尺寸测量、位置测量等方面得到了广泛应用。但是到目前为止其应用都局限于短距离目标监测，而在大桥形变、山体滑坡等远距离监控领域却一直无法得到广泛的开展，这主要是由于CCD在获取远距离目标图像时受到大气湍流的影响，所得图像存在畸变，不能准确的再现目标的各种属性，会给最终的监测结果带来较大的误差。因此研究从受大气湍流影响的低质量图像中准确提取有用信息，并且有效克服大气湍流带来的噪声和误差是拓展CCD在远距离目标高精度监控领域应用的关键，具有相当重要的意义。本文将对大气湍流的成因及由其引发的图像畸变进行了深入的分析，提出了克服大气湍流影响的有效方法。 1 大气湍流效应对图像的主要影响 在大气中，任一点运动速度的方向和大小时刻发生着不规则变化，产生了各个大气分子团相对于大气整体平均运动的不规则运动，这种现象称为大气湍流[1]。大气湍流会引起空气中任意位置折射率的随机变化，导致光束在同一路径的空气中传播却有着不同的折射率，使得接收到的信号存在着闪烁现象。由湍流引起 2002年12月24日收稿 * 男 24岁博士生主要从事光通信与光传感方面的研究
第二节 大气圈与天气、气候 第一课时 大气圈的组成与结构 【明确考点】 大气圈的组成及各组成部分的作用。大气垂直分层的依据，各层的特点及与人类的关系。 自主学习 知识点一、大气圈的组成 1．低层大气的组成有干洁空气、少量的____和________。 2． 低层大气各组成成分的作用 合作探究 1．人类活动对大气成分有何影响？ 2．大气成分的变化能带来哪些危害？ 3．对流层的高度随纬度有何变化?为什么？ 4．为什么臭氧层被誉为“地球生命的 保护伞”？ 大气成分 体积（%） 作 用 干洁空气 N 2 ____ _________________ O 2 ____ ________________ CO 2 ____ ________________ O 3 ____ ________________ 水汽 ____ ________________ 固体杂质 ____ ____________________________________ 典例剖析 例 读低层大气组成图，回答： （1）图中B 表示 ；C 表示 ，作用 是 。 （2）在大气含量很少的成分中，有地球生命保 护伞之称的是 ，他主要是能强烈吸 收 。 解析：图示为干洁空气组成图，干洁空气中体积分数最大的是氮，其次是氧，二者占干洁空气的99%。由于臭氧能强烈吸收太阳紫外线，对地球生物起到保护作用。 答案：（1）氮 氧 一切生物维持生命活动必需物质 （2）臭氧 太阳紫外线 变式训练 1．城市上空多雾的原因是 ( ) A ．空气中多水汽 B ．空气中二氧化碳含量高 C ．空气中的固体杂质较多 D ．空气中臭氧含量高 2． 大气中二氧化碳含量与日俱增的原因正确的 是 ( ) A ．海平面上升 B ．臭氧大量减少 C ．燃烧煤、石油等，大量排放二氧化硫所致 D ．森林被砍伐 自主学习 知识点二、大气的垂直分层 1．大气分层的依据 根据大气在垂直方向上的____、____ 及____状况的差异，可将大气分为______、 ______和高层大气。 2．对流层：对流层的气温随高度增加 而____；空气____运动显著；__、云、__、 雾，雪等天气现象，都发生在这一层，因此典例剖析 例 下图示意大气垂直分层，读图回答（1）～（3）题。
第10章 湍流边界层 10.1 壁面湍流特性和速度分布规律 当边界层内流体及管内流体处于层流流动状态时，流体受到壁面的限制仅仅表现在粘性切应力作用下，进行粘性旋涡的扩散；而当处于湍流流动状态时，流体受到壁面的限制则是在粘性切应力和湍流附加切应力的同时作用下，进行旋涡的扩散。 由于湍动旋涡的扩散速度远大于粘性旋涡扩散的速度，因此，在相同条件下，湍流速度边界层的厚度要比层流速度边界层厚。 但在高雷诺数的条件下，湍流速度边界层仍是贴近壁面的薄层，因此，建立湍流边界层方程的前提条件与层流时相同。 但是，由于两种切应力的作用，湍流速度边界层的结构要比层流速度边界层复杂得多。 因此，一定要先了解壁面湍流的分层结构和时均速度分布规律。 10.1.1 壁面湍流分层结构及其特性 在壁面湍流中，随着壁面距离的变化，粘性切应力和湍流附加切应力各自对流动的影响也发生变化。 以y 表示离开壁面的垂直距离，随着y 的增加，粘性切应力的影响逐渐减小，而湍流附加切应力的影响开始不断增大，而后逐渐减小。 这就形成了具有不同流动特征的区域。 壁面湍流速度边界层可以分为内层（壁面区），包括粘性底层、过度层（重叠层）和对数律层（完全湍流层）；外层，包括尾迹律层和粘性顶层（间歇湍流层）。 定义 ()ρ τw x v v = =** (10.1.1) 因为*v 具有速度的量纲，故称为壁面切应力速度，它在湍流中是一个重要的特征速度。 以下对各层的划分做详细说明。 粘性底层：所在厚度约为* 5 0v y ν ≤≤，其内粘性切应力起主要作用，湍流附加切应力可以忽 略，流动接近于层流状态，因此在早期研究中称之为层流底层。 由于近期的实验研究，观察到该层内有微小旋涡及湍流猝发起源的现象，因此称为粘性底层。 过渡层：所在厚度约为* * 30 5 v y v ν ν ≤≤，其内粘性切应力和湍流附加切应力为同一数量级，流 动状态极为复杂。 由于其厚度不大，在工程计算中，有时将其并入对数律层的区域中。 对数律层：所在厚度约为()δν ν 2.01030 * 3 * ≈≤≤v y v ，其内流体受到的湍流附加切应力大于粘 性切应力，因而流动处于完全湍流状态。 由这三层组成的内层，称为三层结构模式，若将过度层归入对数律层，则称为两层结构模式。 外层中的尾迹律层和粘性顶层所在厚度分别约为δν 4.010* 3 ≤≤y v 和δδ≤≤y 4.0。 对于尾迹
中国科学院大气物理研究所硕士研究生入学考试 《大气物理学基础综合》考试大纲 本《大气物理学基础综合》考试大纲适用于中国科学院大气物理研究所大气科学学科有关专业的硕士研究生入学考试。大气物理学是大气科学的重要分支，是许多专业学科的基础理论课程。 大气物理学考试内容主要包括大气组成与物理特性及其垂直结构、大气辐射学、大气边界层物理、云和降水物理学和大气电学等几大部分。要求考生对这几部分的基本概念有较深入的了解，掌握描述大气状态和变化的基本原理和公式及其应用。 一、考试内容 （一）地球大气的成分与分布 1．对流层干空气的主要组成成分与次要组成成分 2．干空气状态方程 3．地球大气中与人类生存有关的碳化合物的主要来源及影响4．臭氧的产生、空间分布及臭氧损耗 5．大气中硫的化合物及氮的化合物的来源及影响 6. 表示大气湿度的物理量及相互关系 7. 克拉珀龙－克劳修斯方程 8. 水汽的状态方程 9. 湿空气的状态方程 10.大气气溶胶的概念、谱分布、来源及在大气过程中的作用（二）大气气压场及大气的分层结构 1. 大气静力学方程、大气压力与高度的关系
2. 标准大气 3. 全球海平面气压分布特征 4. 大气的垂直分层及其特点 （三）大气辐射学 1.大气辐射场的物理量 2.大气辐射的基本定律 3.大气分子吸收（谱） 4. 大气粒子对辐射的散射理论 5. 太阳辐射在地球大气中的传输 6. 地球－大气系统的长波辐射 7. 地气系统的辐射平衡 （四）大气热力学 1. 大气热力学基本规律 2. 大气中的干绝热过程 3. 温度对数压力图解 4. 绝热等压混合过程 5. 大气静力稳定度判据以及条件性不稳定 6. 形成大气逆温层的原因 （五）大气动力学 1. 大气动力学基本方程组 2. 大气运动的尺度分析及近似 （六）大气边界层 1. 湍流及大气湍流的基本特征 2.大气湍流特征量的统计描述 3. 大气湍流的控制方程
第二节大气圈与天气、气候 第1 课时大气圈的组成与结构、大气的受热过程 【课标要求】运用图表说明大气的受热过程。 【学习目标】 1. 了解低层大气的组成及其主要成分的作用；了解大气垂直分层的划分及各层的主要特征 2. 通过图解法说明大气的受热过程，运用所学原理，解释相关自然现象。 3. 激发探究大气环境的兴趣，树立保护大气环境的意识。 【重点】大气对太阳辐射的削弱作用和大气的保温作用。 【难点】大气保温作用的原理。 【自主预习】 预习课本P35-P37 图文及自主学习36-37 页。 【新课学习】互动探究 一、大气的组成 1. 通过自学课本和导学案能够连出低层大气组成及其作用 CO2 生物体内蛋白质的重要组成部分 氮人类和一切生物维持生命活动必需的物质 氧能强烈吸收太阳辐射中的紫外线 O3 绿色植物进行光合作用的原料，能吸收红外线， 是调节地表温度的重要气体 水汽和固体杂质成云致雨的条件
教师点拨：大气中各成分的含量是否会发生变化？人类活动改变了哪些大气成分？这些改变给环境带来了什么影响？我们应该怎么做？ 学生活动：读图分析大气成分变化，分析问题。 教师活动：还有哪些成分在改变，原因是什么？ 教师总结：这也就是目前我国正在大力倡导资源节约型、环境友好型社会的原因。 二、大气的垂直分层 教师活动：阅读课本P36 文字内容及图2-2-2“大气的垂直分层示意”图，要求做到：完成大气的垂直分层示意图的绘制，并且能自行解说大气的结构及各层特点，解说内容参考下列问题： 1、大气共分为哪几层？ 2、大气垂直分层的依据是什么？ 3、各层大气分别具有什么特征？与人类的关系如何？ 学生活动：上黑板画图并解说 教师引导探究 （多媒体显示）： 1.云雨雪等天气 现象为什么发生 在对流层？（从 物质组成、大气运动角度考虑） 2. 为什么大型的远程运输飞机多在平流层中飞行？（仅从天气状况、大气运动两方面考虑）
力学的世纪难题——湍流 周恒 中国航空报 June12,2014 Abstract 人们关心流体的运动是很自然的，因为地球为大气所包围，而地球表面的2/3为水面覆盖。作为科学问题的湍流，是在1883年Reynolds做 了区分层流和湍流这两种不同形态流动的实验后确立的。而自20世纪初以 来，由于工程技术的发展，对认识湍流的规律提出了迫切的要求，从而大 大地推动了湍流的研究。在这100多年中，对湍流的认识的确取得了很大 进展，否则如航空、航天、船舶、动力、水利、化工、海洋工程等工程技 术，以及气象、海洋科学等自然科学都不可能有很大的进展。但另一方面， 人们对湍流的认识又还很不全面，从而制约了这些工程技术和自然科学的 进一步发展，也可能会对21世纪的某些新兴科学技术的形成起到制约作 用。因而在21世纪之始，再一次将这一世纪难题提到科学工作者面前是很 必要的。 1湍流运动的复杂性 湍流运动复杂性的根源在于它是强非线性系统的运动。控制湍流运动的方程:Navier-Stokes(N-S)方程是非线性的。在多数情况下，它的解是不稳定的，从而导致了流动的多次分叉，形成了复杂流态，而方程的非线性又使各种不同尺度的流动耦合起来，无法将它们分别研究。 一个世纪以来，数学家们曾对N-S方程做过大量研究，但由于其非线性带来的困难，正面的成果远不如对其他数学物理方程的研究所得到的多。看起来，进一步对N-S方程的数学性质做研究尽管重要，但依靠这一途径来解决工程技术和自然数学中提出的湍流问题恐怕是不现实的。 物理学家、力学家以及一部分数学家试图从另一途径来解决湍流，即通过直接建立能反映其某些重要特性的模型来认识湍流。例如，在20世纪 1
前面复习
什么是湍流？ 湍流与层流有什么区别？ 雷诺数Re的表达式和物理意义？ 湍流有哪些理论？ 流体运动的稳定性指的是什么？ 处理流体运动的稳定性问题时，什么是 小扰动法和能量法？
流体力学和N-S方程
流体力学是力学的一个分支，它是研究 流体 ( 包括液体及气体 ) 这样一个连续介质 的宏观运动规律以及它与其他运动形态之 间的相互作用。通常所说的流体力学就是 指建立在连续介质假设基础上的流体力学。 连续介质假设认为真实流体所占有的空 间可近似地看做是由“流体质点”连续无 空隙地充满着的。所谓流体质点指的是微 观上充分大，宏观上充分小的分子团．
流体运动的描述
欧拉方法着眼于流场空间的固定点， 拉格朗日着眼于确定的流体质点。 两种方法可以互换。
K qi = qi (r , t )
qi = qi (ξ , t )
物理量的物质导数和当地导数
在欧拉方法的表达式中，专门引进了一 个运算符号d/dt，它表示某确定流体质点的 物理量随时间的变化率，称为该物理量的 物质导数；同时，将欧拉表述下物理量函 数对时间的偏导数，即空间固定点上物理 量的时间变化率，称为当地导数，记作э/эt。
dq ?q K = + (v ? ? ) q dt ?t
M 1m/s M 2m/s
M’ 2m/s (t=0) M’ 3m/s (t=1s)
应力张量
流体质点所受的力需要用二阶张量来描 述，σji。在通过某点并具有任意方向n的面 元上，应力矢量 T(n) 为二阶张量和该面元 的法向单位矢n唯一确定。
K Ti (n ) = σ ji n j
1+1教育自然科学个性化教案 教师 朱银炎 学生姓名 上课日期 2012年6月8日 学科 自然科学 年级 初二 教材版本 人教版 类型 知识讲解□：考题讲解□: 学生课时统计 学案主题 班主任 授课时段 教学目标 教学内容 1. 知识与技能 2. 过程与方法 3. 情感态度与价值观 大气层 教学重点、难点 教学过程 学生活动 教师活动 1、大气层：指在地面以上到1000千米左右的高度内，包围着地球的空气层。 2、大气层的重要性：如果没有大气层，则地球A、没有天气变化；B、没有声音;;C、易受陨石侵袭；D、温差很大。
3、大气的分层：根据大气温度垂直分布的特点及大气的密度、物质组成，可以把大气分为5层----- 对流层、平流层、中间层、暖层、外层。 4、对流层：是大气的底层，与人类的生活和生产关系最密切的一层。 *重点记忆：A、对流层最显著的特点------有强烈的对流运动， 空气对流运动的规律：B、各种复杂的天气现象（如云、雨、雪、雷电等）都发生在对流层；*对流层集中了地球3/4的大气质量和几乎全部的水汽、固体杂质 C、对流层的厚度不均匀，表现在两极厚度小，赤道厚度大 *小问题：1、家用壁挂式空调一般都安装在房间的墙壁上部，这是为什么？ 答：夏天，空调吹出的空气气温低，密度大，会下沉，这样室间空气回形成对流，使整个房间内气温均匀。 5、平流层：大气温度随高度的增加而逐渐增高，气流平稳，利于高空飞行；内有臭氧层，能吸收紫外线，对人类起保护作用。 1．大气主要集中在地面以上________左右的高度内，与地球的半径相比，大气显得很______。 然而它对地球而言却非常重要，它像一件外衣一样__________着地球。 2．大气温度的变化范围约在_______之间。在85千米以上，大气的温度呈________趋势。3．我们对大气进行分层的主要依据是___________________。根据________，__________和 _________等特点，可以把地球大气层分为五层，即______________，_______________，______________，_____________和__________。其中对流层最显著的特点是___________ ___________________。 4．空气对流运动的规律：热空气密度_________，________运动；而上方空气温度低，密度 ___________，下沉，形成对流。 二、我会选择： 5．如果地球上没有大气，下列现象仍然存在的是( ) A、狂风暴雨 B、火山喷发 C、雷电交加 D、碧海蓝天 6．地球上的大气层像一件外衣一样保护着地球，如果地球上没有大气层，则地球将会( ) A、出现睛天、下雨等非常复杂的天气现象 B、仍然听到讲话的声音 C、频繁地受天外来客的袭击 D、没有白天和黑夜 7．指出下列大气对流图中正确的是( ) A B C D 8．地球大气与宇宙空间的过渡层是( ) A、暖层 B、平流层 C、中间层 D、外层 9．地球表面大气层的厚度大约为（） A、1000千米 B、2000千米 C、3000千米 D、5000千米10．大气分层的依据是（） A、大气密度在垂直方向上的垂直变化 B、大气温度在垂直方向上的垂直变化
第15卷第4期水利水电科技进展1995年8月 湍流理论若干问题研究进展 刘兆存 金忠青 (河海大学 南京 210098) 摘要 本文对近年来湍流理论在某些方面的研究进展作了概要介绍,对拟序结构发现后人们对湍流内部结构的新认识和近年来发展很快的从微分方程分析角度出发对湍流机理新的探索进行了评价,说明引入混沌后在时、空演化方面对湍流机理的模拟,最后阐述了流动稳定性和层流向湍流的转捩。 关键词 湍流 N-S方程 流动结构 流动机理 封闭性 近年来,在围绕湍流结构和统计两条主线的研究工作中出现了新观点和新趋势,虽然从历史的观点来看有些可能是错的——在科学容忍的范围内,但在现阶段却是研究的主流。 1 简要回顾及发展 1.1 半经验理论和模式理论 湍流的控制方程是N-S方程,但和层流相比,方程不封闭。为满足工程需要,发展了一系列的以普朗特混合长理论为代表的湍流半经验理论或早期模式理论。这种理论虽然对于增进对湍流机理的了解没有提供更多的贡献,但对解决工程实际问题却起了重大的作用[1]。半经验理论是一种唯像理论,并不涉及湍流内部机理。以速度分布公式为例,半经验理论的速度分布公式大致有对数型和指数型。对数型速度分布得到的假定是充分发展的剪切湍流中主流区(不含边界层的)的流速梯度和分子粘性无关,指数型(或渐近指数型)则假定分子粘性不能忽略[2],两种类型的流速分布公式在工程实践中都获得了非常广泛的应用。半经验理论的一个发展方向是吸收统计理论的成果,用统计理论的精细成果丰富半经验理论不足并保留便于应用的优点,如文[3]所作的工作。 近代的模式理论在封闭湍流基本方程组时特别吸收了统计理论的成果,如二方程模型、应力通量代数模型、应力通量方程模型等。关于这方面的详细论述,将另文给出。 1.2 统计理论 湍流的统计理论的目标则是从最基本的物理守恒定律——N-S方程和连续性方程出发,探讨湍流的机理。理查逊-柯尔莫哥洛夫湍流图像部分被实验所证实。统计理论中湍流的能量传递关系被更符合实际的U. Fr isch等所提出的B-模型所代替。湍流统计理论历时半个多世纪的发展,经泰勒、陶森德等人的努力,取得丰硕的成果,但仍不能绕过封闭性的困难,所得成果都还是很不完善的。湍流统计理论的重要性目前已有所下降[1]。我国周培源等提出了均匀各向同性湍流的准相似性条件以及相应均匀各向同性湍流的涡旋结构统计理论并得到实验的验证[4],进一步将在均匀各向同性湍流中得到的准相似性条件推广到一般的剪切湍流中,然后对关联方程的耗散项作出假定,利用逐级近似方法发展了湍流的统计理论[5],所得结果部分经实验证实。文[6]采用逐级迭代法对湍流平均运动方程和脉动速度关联方程 · 12·
第一节大气的组成和结构 一、教学内容分析： 本章是讲述人类生存与发展的自然环境的重要组成部分，与第一章地球的宇宙环境相比，它所揭示的“人与自然”的关系更为密切，阐明为人类提供的生存空间的条件更为广阔。大气环境是人类三大环境，即大气、海洋和陆地环境之一，是海洋和陆地两环境的物质、能量交换的动力和媒体。所以，本章有助于对前后各单元知识的学习和理解。第一节大气的组成和结构则是全章的基础。 二、教学目标 1．知识目标 （1）了解大气的组成及其作用。 （2）认识人类活动对大气成分的影响。 （3）知道大气的结构，掌握对流层和平流层大气的特点。 2．能力目标 （1）培养读图、阅读和概括能力。 （2）运用对比法分析地理问题的能力。 3．德育目标 了解人类活动对大气环境的影响和作用，树立人类与环境相互协调、走可持续发展道路的观念和意识。 三、教学重点、难点、及解决办法 1．重点 （1）人类活动对大气成分的影响。 （2）对流层、平流层大气的特点。 2．难点 对流层、平流层大气的特点。 3．解决办法 （1）对比分析法。 （2）运用图片简要说明原理。 4、课时安排 1.5课时。 四、教学方法： 1．启发式； 2．读图分析法； 3．对比讨论法。 五、教学过程： 引入：前面，我们了解了地球所处的宇宙环境，从这节课开始，我们将进一步关注地球本身的特点，那么，地球是一个怎样的星球呢？ 读P．5的“地球表面圈层图”。
读图提问：地球表面是由哪几个圈层组成？ 学生回答：（略）教师小结并引入：由大气圈、水圈、生物圈和岩石圈组成，其中大气圈就是我们所处的大气环境。 [板书]第二单元大气环境 读书第29页，提问：地球表面的大气有什么作用？ [板书]引言 地球大气的作用。 学生回答：（略） 教师小结： 过渡：下面，我们先了解一下大气的组成和结构。 [板书]第一节大气的组成和结构 一、大气的组成及其作用 提问：大家想一想，在我们周围的大气中，除了纯净的空气，还有些什么物质？ 学生回答：（略） 教师小结：（略） 读表2-1，“干洁空气的主要成分”，回答下列问题： 1．干洁空气的主要成分是什么？各有什么作用？ 2．除了氮和氧，干洁空气中还有哪些气体呢？各有何作用？学生回答后，教师小结：（略） 提问：空气中的水汽和固体杂质又有什么作用？ （总结） 转折过渡：然而，大气的组成不是固定不变的，人类活动造成的大气污染，使大气的成分发生了越来越明显的变化。 （录象或投影资料） 1、二氧化碳增多，温室效应的出现。 2、氟氯烃对臭氧层的破坏。 （1）由于煤、石油等矿物燃料的使用越来越多，人类社会每年排放的二氧化碳总量在过去三十年里增加了一倍，再加上大量砍伐森林，减少了绿色植物通过光合作用吸收二氧化碳的能力，大气中二氧化碳的浓度在过去三十年里增长了12％。 （2）氯氟烃是一种人工合成的化合物，主要用于制冷剂、火箭推进剂等，到80年代中期为止，全球氯氟烃的年消费量已达到100万吨。 提问：大气组成的这种变化，会产生什么影响？ 学生回答：（略） 教师小结： 1．如果二氧化碳继续增加，地球持续不断变暖，对人类生存将产生严重影响。它将使极地冰雪融化、海平面上升，世界上许多的桑田将变成沧海。 2．氯氟烃给人类带来的危害是正在损害大气的臭氧层，导致全世界皮肤癌发病率上升和全球气温增高。
湍流理论发展概述 一、湍流模型的研究背景 自然环境和工程装置中的流动常常是湍流流动，模拟任何实际过程首先遇到的就是湍流问题，而湍流问题本身又是流体力学理论上的难题。对于某些简单的均匀时均流场，如果湍流脉动是各向均匀及各向同性的，可以用经典的统计理论来分析，但实际上的湍流往往是不均匀的，这就给理论分析带来了极大地困难。这也就引发了对湍流过程进行模拟的想法。 对湍流最根本的模拟方法是在湍流尺度的网格尺寸内求解瞬态的三维N-S 方程的全模拟方法，此时无需引进任何模型。然而由于计算方法及计算机运算水平的限制，该种方法不易实现。另一种要求稍低的方法是亚网格尺寸度模拟即大涡模拟（LES），也是由N-S 方程出发，其网格尺寸比湍流尺度大，可以模拟湍流发展过程的一些细节，但由于计算量仍然很大，只能模拟一些简单的情况，直接应用于实际的工程问题也存在很多问题[1]。目前数值模拟主要有三种方法：1. 平均N-S方程的求解，2.大涡模拟（LES），3.直接数值模拟（DNS），而模拟的前提是建立合适的湍流模型。 所谓的湍流模型，就是以雷诺平均运动方程与脉动运动方程为基础，依靠理论与经验的结合，引进一系列模型假设，而建立起的一组描写湍流平均量的封闭方程组。目前常用的湍流模型可根据所采用的微分方程数进行分类为：零方程模型、一方程模型、两方程模型、四方程模型、七方程模型等。对于简单流动而言，一般随着方程数的增多，精度也越高，计算量也越大、收敛性也越差。但是，对于复杂的湍流运动，则不一定。湍流模型可根据微分方程的个数分为零方程模型、一方程模型、二方程模型和多方程模型。这里所说的微分方程是指除了时均N-S 方程外，还要增加其他方程才能是方程封闭，增加多少个方程，则该模型就被成为多少个模型。
湍流降阻 湍流减阻技术有泥沙减阻[ 1]、微汽泡及吹气和吸气减阻[ 2,3]、聚合物减阻[ 4]、涂层减阻[ 5]、磁减阻[6]、仿生非光滑减阻[7-12]等, 这些技术主要是控制边界层内的湍流结构, 特别是拟序结构, 从而达到控制湍流动能损耗, 实现减阻目的。 仿生学研究发现鱼类等水生动物和有翼昆虫等飞行动物经历了近亿年进化过程, 形成了一种满足自身生存需要的非光滑减阻表面。如Reif 教授在研究40 多种不同生长阶段的鲨鱼后, 发现当鲨鱼快速游动时, 表皮上有精细间隔的鳞脊, 鳞脊间有圆谷, 鳞脊的排列基本上与流动方向平行, Reif 认为, 鲨鱼皮上的鳞脊可以使边界层稳定, 减小快速游动阻力[9]。受此启发, 用仿生非光滑技术改变近壁区流场, 减小壁面摩擦阻力, 不会给使用体带来附加设备、额外能量消耗和污染物, 仅改变壁面形状就达到减阻效果,在各种减阻技术中被认为是最有前途的方法。
图1 为三角形、扇贝形和刀刃形三种仿生非光滑沟槽形状参数示意图, 其中s = 0. 1mm, h =0. 05mm, 刀刃形沟槽刃宽t = 0. 2 × h 。三种模型在相同的计算域中模拟, 将光滑表面与沟槽表面置于同一流场中, 便于结果对比, 减小计算误差。先在ANSYS 中建立几何模型, 对其进行离散化, 再将离散单元导入GAMBIT 中, 进行网格平滑处理和区域划分, 最后将网格导入FLU ENT 中进行计算及结果显示。为了便于观察流场运动情况, 沿流向布置8 个沟槽。三角形和扇贝形用六面体网格离散, 刀刃形用三角形网格离散。流向均匀划分40 个网格点, 垂向不等间距划分40 个网格点, 中心处网格最稀, 从中心向两边网格间距以0. 25 倍等比速度减小, 沟槽表面划分变尺寸网格, 沟槽网格密度在谷底最稀, 谷顶最密, 网格间距从谷顶到谷底以0. 5 等比速度减小。三种情况下沟槽表面所划分的网格密度相同, 并等于光滑表面。 图2 CFD模型 表1 三种沟槽表面上网格点数列表 网格总数沟槽表面积形状顶角s h 沟槽表面 网格数 三角形90°0.1 5×10-214 181023 4.53×10-6扇贝形- 0.1 5×10-216 197821 4.95×10-6刀刃形- 0.1 5×10-221 240005 6.00×10-6
大气圈的组成与结构、大气的受热过程 教学设计 【课标解读】 课标要求：运用图表说明大气受热过程。 分析这条标准，其包含的具体要求如下： （1）根据标准的要求，学生应能够运用大气垂直分层图说明各层大气的主要特征及与人类的关系；（2）能够根据示意图，说出太阳辐射到达地面后在地面和大气之间的能量转换的基本原理；（3）能运用大气保温作用原理，解释有关的自然地理现象。 【教材分析】 根据本节教材对知识、能力和价值观念的要求本课将重点安排在对读图技能的训练，以及人地协调观念的树立等方面。读图技能的训练主要通过气温垂直分布图和大气受热过程图完成，无论是了解大气的组成还是大气的垂直分布，还是大气的受热过程都注意与学生的生活实际相联系，从感性知识入手，使学生更容易接受，并由浅入深，引导学生分析大气各组成部分所起的作用、各层大气气温分布特点以及大气运动状况、大气的受热过程与人类的关系等。 【教学目标】 1．知识与技能：通过学习使学生知道低层大气的组成成分及其所起的作用；大气垂直分层的依据以及各层大气的特点；能说出大气的受热过程及保温作用的原理； 2．过程与方法：通过对图表的分析，训练学生阅读图表分析问题的技能；运用所学原理，解释相关自然现象，学会学以致用； 3．情感、态度和价值观目标：激发探究大气环境的兴趣，树立保护大气环境的意识。 【教学重点难点】大气的受热过程及保温作用的原理 【学情分析】 本节课内容理论性较强，所以对知识点的理解有一定的难度，因此教学中借助教具或电脑模拟演示，使抽象的知识直观化，并启发引导学生发现问题、解决问题，达到掌握知识的目的。
【教学方法】自主学习、合作探究、绘图法 【课时安排】1课时 【教学过程】 设计思路 本课充分运用“设计情境---引出问题---学生自主探究和合作学习--总结结论”的教学方法，恰当的处理教材，创设让学生主动构建新知识的情境，调动学生的主动参与精神，尊重学生的人格，关心学生的发展，营造民主、平等的教学气氛，着力于学生创新能力的培养，构建“情境、协作、意义建构”相结合的探究式教学设计，为学生提供一个充分展现自我、发挥个性的舞台。 课堂展示 （一）情境导入，展示目标 以张家口市烟雾防霜冻的新闻引入新课。 落实学习目标。 设计意图：情景导入，吸引学生的注意力，明确学习目标。 （二）学情反馈：明确学生在预习过程中存在的疑惑 （三）新知导学 自主预习和预习自测答案进行交流。 （四）重难探究 ★探究一、大气的垂直分层 问题导引 1.雨雪等天气现象发生在大气的哪一层 中？为什么？ 问题导引 2.为什么大型的远程运输飞机多在平流层 中飞行？ 设计意图：加深对对流层和平流层特征及与人 类关系的理解。 学生先回答以上两个问题，然后找学生到讲台 完成填图和连线，重点是平流层和对流层的气 流运动方向，展示答案，老师进行评价。
关于湍流理论研究进展 摘要本文对近年来湍流理论在某些方面的研究进展作了概要介绍，对具有代表性的理论假设的思想方法，进行了扼要阐述，指出了相应的实用价值和局限性。 关键词湍流湍流统计理论混沌理论湍流拟序结构湍流剪切流动 1 无处不在的湍流现象 湍流是自然界中流体的一种最普遍的运动现象，它广泛的存在于我们生活周围。在大风吹过地面障碍物的旁边，在湍急的河水流过桥墩的后面，在烟囱中冒出的浓烟随风渐渐扩散等地方，都能观察到湍流运动现象。简单地说，湍流运动就是流体的一种看起来很不规则的运动。由于湍流现象广泛存在于自然界和工程技术的各个领域，因此湍流基础理论研究取得的进展就可能为经济建设和国防建设的广泛领域带来巨大的效益。例如，提高各种运输工具的速度以大量节约能源，提高各种流体机械的效益；改善大气和水体的环境质量，降低流体动力噪声，防止流体相互作用引发的结构振动乃至破坏；加强反应器内部物质的热交换与化学反应的速度等等。 然而像湍流这样，虽经包括许多著名科学家在内长达一个世纪多的顽强努力，正确反映客观规律的系统的湍流理论至今还没有建立，在整个科学研究史上也是不多见的。因此，可以说湍流是力学中没有解决的最困难的难题之一。因此，世界上许多国家一直坚持把湍流研究列为需要最优先发展的若干重大基础研究课题之一。 2 湍流理论的发展历史 湍流理论从它的思路来说大体可分为两类[1]。一类是先把流体动力学方程组平均以后，然后再设法使方程组封闭，求解后再和实验结果比较，看封闭办法是否正确。湍流中绝大部分理论是属于这一类型。另一类是先求解，取特殊模型，再引进平均，得到要求的物理量，和相应的实验结果进行比较。 2.1 Reynolds方程和混合长度理论 十九世纪70年代是Maxwell-Boltzmann分子运动理论取得辉煌成果的时代。它成功地解释了气体状态方程、气体粘性、气体热传导和气体扩散等一系列现象。湍流理论开始发展的时候，就受着这种思想支配。1877年T.V.Bonssinesq[2]又开始
附件1 “风沙环境下高雷诺数壁湍流结构及其演化机理研究” 风沙运动引发的灾害已经成为影响人类社会的一个重要环境问题。要实现对风沙灾害的有效预报和合理防治，必须深刻认识风沙灾害的成因和规律。从流动的角度来看，风沙运动实质上是颗粒物质与高雷诺数大气边界层湍流相互作用的结果，其特征雷诺数Reτ可达106~107量级。目前有关风沙运动研究的理论基础仅基于定常平均假设，导致理论预测与实际情况存在显著差异。为提高风沙运动的预测精度和防治水平，必须依靠湍流特别是高雷诺数壁湍流的最新研究进展和理论突破。 高雷诺数壁湍流在湍流统计特性、流动结构等方面与低雷诺数情况存在较大差异，而风沙运动作为一种典型的高雷诺数流动，为高雷诺数湍流研究提供了非常有用的基准。本项目拟以高雷诺数风沙运动为主要研究对象，通过理论分析、实验室模拟、数值仿真和野外观测相互结合的方式，研究高雷诺数壁湍流的流动特性和机理，揭示湍流拟序结构对起沙和沙尘输运的作用和影响规律，为风沙灾害的预报和防治提供理论支持、预测方法和工程依据，由此形成风沙运动研究的中国特色。 一、科学目标 以我国风沙灾害防治为背景，针对高雷诺数湍流边界层的一般规律、沙尘起沙机制和输运特性，开展高雷诺数壁湍流的理论分析、实验测量、数值模拟和野外观测，掌握高雷诺数壁湍流流动特性和雷诺数影响规律，认识高雷诺数壁湍流拟序结构及尺度作用机理，揭示沙尘起跳和长距离输运机理，构建适用于高雷诺数风沙预报的数值计算
方法和计算平台。由此促进高雷诺数湍流和风沙运动学科的交叉融合，提升我国在湍流和风沙物理学领域的创新能力。 二、研究内容 （一）壁湍流统计特性的雷诺数效应。 开展高雷诺数壁湍流的大气边界层净风场测量，结合中等雷诺数直接数值模拟和高雷诺数大涡模拟，研究壁湍流统计特性随雷诺数的变化规律和趋势，包括：雷诺数对平均速度型与卡门常数的影响；湍动能第二峰的产生条件及能量输运特性；风沙对湍流统计特性的影响。 （二）高雷诺数壁湍流结构的动力演化特性与尺度作用机理。 结合流动显示、三维流场测量和直接数值模拟等手段，研究高雷诺数壁湍流中大尺度拟序结构的起源、演化和相互作用的特性、规律和机理，包括：边界层内大尺度/超大尺度结构的生成和动力学演化过程；边界层内外区流动结构的相互作用机制；沙尘与湍流拟序结构的相互影响规律。 （三）考虑高雷诺数效应的风沙运动预报方法。 综合考虑在高雷诺数条件下出现的湍流脉动、大尺度结构等复杂因素，建立计及内外区相互作用的湍流模型，发展适用于高雷诺数风沙预报的新型预报方法，完成近地表风沙流形成与发展过程的模拟，较为准确地预测沙粒的扬起过程及输运特性。 三、资助期限5年（2015年1月至2019年12月） 四、资助经费2000万元 五、申请注意事项 （一）申请人应当认真阅读本项目指南和通告，不符合项目指南和通告的申请项目不予受理。 （二）申请书的附注说明选择“风沙环境下高雷诺数壁湍流结构
大气湍流中光传播的数值模拟* 马保科1,2， 郭立新1 吴振森1 （1.西安电子科技大学，陕西西安 710071 2.西安工程大学，陕西西安 710048 ） 摘 要 光在大气湍流中传播时，受大气分子、气溶胶等粒子的相互作用，将发生光束扩展、漂移和相干性退化等大气湍流效应，这些因素严重影响了光波的远场特性。文章从大气湍流中光传播的理论研究入手，分析了如何构造较为合理的大气湍流相位屏。进而采用McGlamery 算法，对Kolmogorov 谱下的大气湍流随机相位屏进行了数值模拟，并分析了光波从发射机经湍流大气传播到达接收机时的远场变化特性。研究表明，大气湍流的存在对光的远场传播质量造成很大的影响，研究结果也为大气湍流中与光传播相关的工程应用及自适应光学技术的完善提供了参考。 关键词 大气湍流；McGlamery 算法；相位屏模拟； 大气结构常数； 中图分类号 TP391 文献标识码 A 1 引言 大气湍流是一个相当复杂的随机媒质系统，虽然物理学界对湍流的研究已经历了相当漫长的历史，但因涉及的因素千头万绪，其间的相互作用和关系也错综复杂，人们对其物理本质至今未能做到较为清楚的认识。因此，光在大气湍流中传播问题的研究仍存在理论和实验上的挑战[1,2]。通常，当光在湍流大气中传播时，光束截面内包含着许多的大气漩涡，这些漩涡各自对照射到它的那一部分光束形成衍射作用，可导致光束的强度和相位随机变化，进而表现出光束扩展，大气闪烁和相位起伏等大气湍流效应，从而严重降低了接收机的接收效率。目前，突破大气湍流的影响仍是光在随机介质中传播所要解决的关键问题[3]。早在20世纪中期，苏联的Obukhov 便采用Rytov 平缓微扰法由实验反演湍流特征。在闪烁的饱和现象被发现之后，物理学界又将Markov 近似引入求解光场的统计矩，研究大气湍流下的光场特性[1]。然而，在中等起伏条件下，目前仍没有找到很好的解析处理方法。由于数值模拟能够从光的传播过程出发，较为清楚地反映出所涉及问题的物理本质，因而成为研究湍流效应的主要方法[4]。本文采用McGlamery 算法[5]，对Kolmogorov 谱下的大气随机相位屏进行了数值模拟，进而结合Huygens-Fresnel 原理，模拟了在有无大气湍流的情况下，接收机处光场的变化特性。 2 大气湍流中光的传播 在折射率为n 的随机媒质中，一束波长λ，波数为k （2k πλ=）的单色波的电场E 由Maxwell 波动方程来描述[1,4] 222()2(ln )0k n n ?++??=E r E E (1) 收稿日期: 2010年3月14日 收到修改稿日期：2010年 月 日 基金项目：教育部科技重点项目（105164） 通信作者: 马保科（1972），男，在读博士，副教授，主要从事随机介质中波传播方面的研究。Email: baokema2006@https://www.doczj.com/doc/b510201327.html,
大气湍流的复原 研究背景与意义 21 世纪以来，美国、欧空局、俄罗斯等空间科技强国都相继提出了新的空间发展规划。特别的，美国自特朗普上台后提出太空政策，加大对太空探索的投资力度，并积极开展多个民用太空项目。根据我国至2030 年空间科学发展规划，我国将建立以覆盖多个热点领域的空间科学卫星为标志的空间科学体系[1]，通过发展系列空间科学计划，牵引和带动我国在空间目标识别与监视、深空测绘乃至其他重要科技领域的创新与突破，推动我国高科技产业的跨越式发展。而对空间目标的姿态、形状、特征以及太空星体表面的地形地貌进行高精度识别与判读，都需要采用光学成像系统对其观测与监视，从而获取足够数量的影像资料，从这些影像资料中提取使用者所期望的感兴趣信息。 由于地面受到太阳辐射作用，造成大气中分子和由悬浮粒子构成的离散混合介质的不规则热运动，使得大气呈现出非稳态性和随机性，这种现象称之为大气湍流现象。当光波穿过空间大气层时，由于大气中湍流介质中各处的压强、温度、湿度以及物理特性的随机变化，使得射出湍流介质的波阵面不再保持平面特性。因此，光学成像系统中的传感器透过大气对目标物或场景进行观测时，由于近地面的大气湍流强度在空间和时间上分布的差异，造成湍流介质内的空气折射率的随机涨落。这会导致光波到达像面的振幅和相位的随机起伏，从而导致光束扩散、波面畸变、像点漂移等现象[2][3]，使得目标在成像设备上会产生严重的模糊和降质。大气对成像系统的影响主要包括：1）空间对地高分辨率遥感观测中，卫星或航天飞机对地面目标进行跟踪和监视。2）在地基成像观测系统中，自适应光学望远镜对卫星、行星以及其他宇宙天体进行识别与探测。3）在高速飞行器成像制导系统中，使用激光器对目标实施打击的过程（如图1.1 所示）。由于大气湍流的干扰，飞行器上发射的激光束产生随机扩散与畸变，严重减弱了激光器的打击精度，因此有效的减弱大气湍流的影响，避免激光器的能量扩散和路径偏移是十分必要的。 （a）美国战略导弹防御系统机（b）激光器打击导弹 （c）理想情况下激光束的能量分布（d）受大气湍流干扰的激光束能量分布 图1.1 美国战略导弹防御机系统 在地基空间目标观测过程中，大气湍流扰动的存在，使得光学望远镜的分辨率不再由其理论衍射极限来决定，而取决于其大气相干长度。当光学系统对受到大气湍流干扰的光波进行成像时，其分辨率不会超过口径为0r 的光学系统衍射极限分辨率，其中0r 就是大气相干长度的大小[4]。0r 值越大，表示大气整体湍流强度越小。如果口径数米乃至数十米的光学望远镜在没有自适应补偿系统的条件下，通过空间大气层对近地卫星、行星或其他星体进行观测成像时，由于受到大气湍流的影响，其成像分辨率不会超过口径为分米级小型望远镜[5]，且获取的图像会出现模糊与抖动，这严重降低了观测图像的研究价值。针对大气湍流的扰动问题，目前研究人员提出了两种解决方案：1）发射太空望远镜（如美国哈勃望远镜、康普顿望远镜）。但是太空望远镜不仅造价和发射耗资巨大，而且出现故障不易检测和维护。望远镜如果没有补偿措施，在太空中会受到太空低温、失重环境导致镜面畸变，同样会观测图像出现模糊和降质。2）采用自适应光学补偿系统和波后复原技术。首先通过自适应光学系统对光波波前畸变进行实时补偿和校正，其后基于数字图像处理技术对目标受抑制的中高频信息进行恢复和重建，最终获得目标的高清晰图像。 在遥感对地观测领域，由于大气湍流干扰、卫星平台的不稳定振动、传感器与被拍摄目标之间的相对运动、光学成像系统的离焦和散焦等因素，再加上传感器在数据传输、扫描成像时引入的噪声，都会导致遥感图像的降质和退化。然而研究人员希望获取纹理和边缘清晰、易