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Global expressions for high-order structure functions in Burgers turbulence

Acta Mechanica Sinica 2022年第5期38卷 20-26,I0001页

作者： Jin-Han Xie Department of Mechanics and Engineering Science at College of Engineering and State Key Laboratory for Turbulence and Complex Systems Peking UniversityBeijing 100871China

Since the famous work by Kolmogorov on incompressible turbulence,the structure-function theory has been a key foundation of modern turbulence *** to the simplicity of Burgers turbulence,structure functions are calculated to arbitrary orders,which provides numerous implications for other compressible turbulent *** present the derivation of exact forcing-scale resolving expressions for high-order structure functions of the burgers *** with the previous theories,where the structure functions are calculated in the inertial range based on the statistics of shocks,our expressions link high-order structure functions in different orders without extra information on the flow structure and are valid beyond the inertial range,therefore they are easily checked by numerical simulations.

关键词： Structure function Burgers turbulence Turbulence theory

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海洋的跨尺度双向能量传输

海洋的跨尺度双向能量传输

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：谢金翰北京大学工学院力学与工程科学系湍流与复杂系统国家重点实验室

海洋的流动呈湍流状态,其中存在不同尺度的流动结构。一个基础的问题是海洋能的能量在哪个尺度注入,向哪个方向跨尺度传输,并最终耗散。近期发展的湍流三阶结构函数理论推广了Kolmogorov理论,其包含能量注入尺度和刻画能量双向传播的能... 详细信息

海洋的流动呈湍流状态,其中存在不同尺度的流动结构。一个基础的问题是海洋能的能量在哪个尺度注入,向哪个方向跨尺度传输,并最终耗散。近期发展的湍流三阶结构函数理论推广了Kolmogorov理论,其包含能量注入尺度和刻画能量双向传播的能力为研究海洋湍流提供了有力的工具。此工作首先应用新的三阶结构函数理论分析墨西哥湾(Gulf of Mexico)游标获得的观测数据,得到能量的注入尺度和强度。基于此我们进行旋转分层湍流的直接数值模拟,并通过验证数值模拟和观测所得的三阶结构函数的一致性证实了数值模拟是可靠的,进而获得不能从观测数据直接获得的信息。我们发现在海洋中能量注入主要集中在1km的水平尺度,这与混合层(mixed layer)所对应的罗斯比变形半径(Rossby deformation radius)一致,能量的注入强度约为10ms;能量约有3/4向大尺度传播,1/4向小尺度传播;在大于能量注入尺度的1-10km范围内,动能在向大尺度传播的同时有约1/3的能量转化成势能。

关键词：旋转分层湍流结构函数理论能量跨尺度传输

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各向同性湍流中能量的双向传播

各向同性湍流中能量的双向传播

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北京力学会第26届学术年会

作者：谢金翰北京大学工学院力学系

我们推导并测试了针对三阶结构函数的超越惯性区的新理论。新理论描述了了能量在谱空间向大尺度和小尺度同时传播的情形,其对于理解很多自然界的湍流起重要作用,例如例如在旋转分层湍流和磁流体(MHD)湍流。新理论的三阶结构函数表达式... 详细信息

我们推导并测试了针对三阶结构函数的超越惯性区的新理论。新理论描述了了能量在谱空间向大尺度和小尺度同时传播的情形,其对于理解很多自然界的湍流起重要作用,例如例如在旋转分层湍流和磁流体(MHD)湍流。新理论的三阶结构函数表达式有三个参:向大、小尺度的量传递强度和能量注入尺度。经典的的惯性区理论可以被描述为新理论的极限情况。新理论适用于实测数据,使得我们在实际系统中推断出能量传输方向和强度。同时由于新理论更广阔的适用范围,我们可以在数据不完善的情况下依然获得所需的信息。另外,通过能量注入尺度的解析,新理论可以检测能量尺度输入,这是以前惯性区理论不可能的。我们用二维MHD湍流的模拟检验了我们的新理论。

关键词：湍流结构函数能量传播

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基于守恒量的海洋能量双向传输的理论和观测证据

基于守恒量的海洋能量双向传输的理论和观测证据

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第十二届全国流体力学学术会议

作者：谢金翰北京大学工学学院力学与工程科学系湍流与复杂系统国家重点实验室青岛海洋科学与技术试点国家实验室联合实验室

与经典的湍流系统不同,海洋湍流呈现反常的能量向大尺度和小尺度同时双向传输的现象。理解这个能量双向传输的机理可以帮助我们更好的认识湍流和海洋物理,也为海洋模拟的参数化提供理论支持。由于旋转和重力带来的密度分层,惯性重力波... 详细信息

与经典的湍流系统不同,海洋湍流呈现反常的能量向大尺度和小尺度同时双向传输的现象。理解这个能量双向传输的机理可以帮助我们更好的认识湍流和海洋物理,也为海洋模拟的参数化提供理论支持。由于旋转和重力带来的密度分层,惯性重力波是一个对海洋湍流有重要影响的流动结构。首先,我们基于旋转分层流动的守恒量——能量,位势涡拟能(potential enstrophy)和波作用量(wave action)——从理论上得出波动的存在会导致能量双向传输。接着,我们对渐近展开得到的波涡相互作用模型进行直接数值模拟验证了此理论,发现波动和涡旋能量的相对强度是控制能量传输方向的一个主要参数。随着波动能量的增加,能量向小尺度传输的比例增加,并且存在波动强度的零界点,当波动能量超过此临界点时,能量完全向小尺度传输。最后,基于结构函数理论我们用浮标的观测数据证实了我们的理论和计算结果:首次给出了海洋能量双向传输的观测证据,而且波动是导致能量向小尺度传输的主要因素。

关键词：海洋湍流波涡相互作用结构函数

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三维均匀各向同性强制湍流中大尺度三阶结构函数

三维均匀各向同性强制湍流中大尺度三阶结构函数

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第十二届全国流体力学学术会议

作者：丁梦颉谢金翰北京大学工学院力学与工程科学系湍流与复杂系统国家重点实验室青岛海洋科学与技术试点国家实验室联合实验室

三维均匀各向同性湍流大尺度能谱可由渐近展开进行估计E(k→0)=Lk/(4π)+Ik/(24π)+O(k),其中E(k),k,L,I分别为能谱、波数、Saffman和Loitsyansky积分。在自由衰减湍流中,Saffman积分是守恒的。在三维均匀各项同性强制湍流(forced turbu... 详细信息

三维均匀各向同性湍流大尺度能谱可由渐近展开进行估计E(k→0)=Lk/(4π)+Ik/(24π)+O(k),其中E(k),k,L,I分别为能谱、波数、Saffman和Loitsyansky积分。在自由衰减湍流中,Saffman积分是守恒的。在三维均匀各项同性强制湍流(forced turbulence)中,三阶结构函数K(r)在大尺度的衰减K(r→∞)=r(r为两点间隔),因此非局部的相互作用太弱而不能使Saffman积分发生变化,Saffman积分仍然守恒。然而,基于Kármán-Howarth-Monin方程,我们发现三维均匀各项同性强制湍流的三阶结构函数K(r)在大尺度的衰减K(r→∞)=r,其显著弱于传统认识的r。我们通过直接数值模拟,在不同外力形式下证实了强制湍流中大尺度的K(r→∞)=r衰减速率。同时我们研究了当到达统计平衡态后再自由衰减时结构函数的变化,发现了大尺度K(r→∞)=r的衰减并不影响Saffman积分守恒。此研究指出在三维湍流中虽然能量向小尺度传输,在大于能量注入尺度的尺度上能量注入的影响比以往预期更大(r v.s.r),因此我们可以更好地通过已分辩的大尺度湍流信息获得未分辩的小尺度湍流统计量。

关键词：三维均匀各项同性湍流三阶结构函数 Saffman积分

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二维各向同性旋转湍流

二维各向同性旋转湍流

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第十二届全国流体力学学术会议

作者：李沛洋谢金翰北京大学工学学院力学与工程科学系湍流与复杂系统国家重点实验室青岛海洋科学与技术试点国家实验室联合实验室

旋转效应在自然和工程湍流中,例如,大气,海洋和发动机内流,经常存在,其引入的惯性波使得这些湍流有别于由涡旋主导的湍流。弱波湍流(weakwaveturbulence)理论指出在各向同性旋转湍流的惯性区中能谱正比于波数的负二次方,即E(k)～k,由于... 详细信息

旋转效应在自然和工程湍流中,例如,大气,海洋和发动机内流,经常存在,其引入的惯性波使得这些湍流有别于由涡旋主导的湍流。弱波湍流(weakwaveturbulence)理论指出在各向同性旋转湍流的惯性区中能谱正比于波数的负二次方,即E(k)～k,由于旋转效应对方向的选择性,在真实情况下各向同性旋转湍流并不存在,这一结论一直以来缺乏直接验证。因此此研究构造了一个二维各向同性旋转湍流系统。理论上,我们在Rossby数远小于1的参数范围通过渐进展开,获得了各向同性惯性波的非线性振幅方程,并基于此方程推导了E(k)～k能谱。进而,我们在同样的参数空间对振幅方程和二维各向同性旋转系统的原始方程进行了数值模拟,证实了上述振幅方程的有效性,以及能量向小尺度传输的惯性区和E(k)～k能谱的存在。此工作填补了波动湍流理论解释旋转湍流的一个空白。

关键词：旋转湍流二维各向同性湍流波湍流理论

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近惯性波对纬向急流的影响

近惯性波对纬向急流的影响

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第十二届全国流体力学学术会议

作者：张霖凡谢金翰北京大学工学院力学与工程科学系

星球尺度的湍流根据速度变化快慢可以分解为平均流动和波动。平均流动经过纬向(东西方向)平均后呈现条带状结构,称之为纬向急流(zonal jets)。纬向急流广泛存在于气态大行星以及类地行星的大气层和海洋中。纬向急流由较小尺度的涡(10km-... 详细信息

星球尺度的湍流根据速度变化快慢可以分解为平均流动和波动。平均流动经过纬向(东西方向)平均后呈现条带状结构,称之为纬向急流(zonal jets)。纬向急流广泛存在于气态大行星以及类地行星的大气层和海洋中。纬向急流由较小尺度的涡(10km-100km)演化形成。近惯性波(Near Inertial Wave,NIW)是一种频率接近局部科氏力频率的惯性重力波(Vallis,2019),其在海洋中占据了几乎50%的总波动能量。本文我们采用β平面上的数值模拟研究近惯性波对纬向急流的能量跨尺度输运、特征尺度、速度剖面以及迁移运动的影响。当近惯性波强度比较弱时,波强度的增加导致纬向急流的能量减少,并且平均流的能量同时向大尺度和小尺度双向传递。我们发下存在一个惯性波的临界强度,当近惯性波强度超过此临界值,纬向急流完全消失,平均流的能量只向小尺度传递。在相互作用的过程中近惯性波和平均流动之间没有能量传递,近惯性波的效应表现在催化平均流动向小尺度传输能量。此研究发现用以平均流动对流导致的向大尺度传出的能量为基础的Rhines尺度可以更为准确地估计纬向急流的特征尺度。同时由于近惯性波在负涡区聚集,波强度越大,纬向急流的速度剖面越不对称,纬向急流向极地方向迁移的速度也越快。

关键词：纬向急流近惯性波波涡相互作用

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基于三阶结构函数理论的含沙和不含沙大气表面层湍流对数区研究

基于三阶结构函数理论的含沙和不含沙大气表面层湍流对数区研究

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第十二届全国流体力学学术会议

作者：张非驰谢金翰郑晓静北京大学工学院力学与工程科学系兰州大学土木工程与力学学院力学与工程科学系

在湍流边界层研究中特征尺度的选择至关重要,特别是在结构函数的标度律研究中关于如何选择长度尺度存在争议。此研究关注三阶结构函数惯性区和对数区相匹配的表达式。我们发现选择基于局部能量耗散率的特征尺度作为结构函数的归一化尺... 详细信息

在湍流边界层研究中特征尺度的选择至关重要,特别是在结构函数的标度律研究中关于如何选择长度尺度存在争议。此研究关注三阶结构函数惯性区和对数区相匹配的表达式。我们发现选择基于局部能量耗散率的特征尺度作为结构函数的归一化尺度可以获得三阶结构函数的普适表达式。通过利用此表达式分析甘肃省民勤地区的青土湖观测列阵大气表面层高雷诺数(Re～O (10))数据,我们首先证实了含沙和不含沙流动中三阶结构函数惯性区Kolmogorov 4/5标度律的存在,其次通过数据验证了在附着涡假设简化下的Karman-HowarthMonin方程可以解释三阶结构函数的对数区。另外,我们发现在能量生成与耗散率之比随高度变化的大气表面层流动中,三阶结构函数的惯性区和对数区的过渡尺度与能量生成与耗散率之比有关,更强的耗散率导致了更广的对数区。三阶结构函数的普适性为通过测量数据获得对边界层湍流物理的重要信息,如能量耗散率,提出了一个方法。

关键词：边界层湍流大气表面层三阶结构函数含沙流动

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薄层准二维湍流中能谱凝聚的实验研究

薄层准二维湍流中能谱凝聚的实验研究

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第十二届全国流体力学学术会议

作者：朱航宇谢金翰夏克青南方科技大学力学与航空航天工程系复杂流动及软物质研究中心北京大学工学院力学与工程科学系湍流与复杂系统国家重点实验室

在自然界和科学实验中并不存在严格的二维湍流,但它是研究大气和海洋等横向-垂向尺度比很大的地球物理现象的一个理想化模型。与三维湍流相比,二维湍流的显著特征是存在两个不变量:能量和拟涡能。其中,能量从注入尺度(外力的作用尺度)... 详细信息

在自然界和科学实验中并不存在严格的二维湍流,但它是研究大气和海洋等横向-垂向尺度比很大的地球物理现象的一个理想化模型。与三维湍流相比,二维湍流的显著特征是存在两个不变量:能量和拟涡能。其中,能量从注入尺度(外力的作用尺度)向大尺度传递,即能量逆级串,能谱斜率为-5/3;而拟涡能从注入尺度向小尺度传递,即拟涡能正级串,能谱斜率为-3。前人研究表明,在无限尺寸的二维湍流系统中,由于大尺度摩阻的作用,能量逆级串会停止在某一尺度(即基于摩阻系数α的摩阻主导尺度Lα),达到稳定的流动状态;而对于尺寸有限(L)的系统,当L>L时,能量会在L附近聚集,发生能谱凝聚,能谱斜率约为-3,流场中会形成与L相当的大尺度涡结构。然而,这一理论描述还未被实验证实,也无法解释在地球物理流动中(无固定壁面)观察到的能谱凝聚现象;此外,前人研究表明由于受到实验中系统边壁的影响,在有限尺寸下观察到的大尺度涡结构并不能判定流场中发生了能谱凝聚。基于此,在电磁驱动的薄层准二维湍流中考察了能谱凝聚产生的条件。研究发现,当保持α和Re不变,只改变L时,虽然流场的运动模式发生了明显变化,但能谱形状保持不变,斜率均为-3。进一步研究了逆级串区间的能谱斜率随α的变化。发现,在L明显小于L的情况下,能谱斜率随α的减小而增加,这表明能量向大尺度传递更加充分;当α减小到约0.12s时,能谱斜率从-5/3突变为-3;还研究了不同α情况下涡结构的统计特性,发现最大涡结构的尺度明显小于L,说明能谱凝聚未导致大尺度涡结构的产生,这意味着能谱空间凝聚不一定对应物理空间的凝聚。最后,我们研究了能谱斜率与Re的关系,发现在测量范围内,能谱斜率表现出Re不变性。这些结果表明,在薄层准二维湍流这一系统中,能谱凝聚并不一定要在有限尺寸下才能发生,其产生条件是大尺度摩阻系数足够小(α(?)0.12s);能谱凝聚在流场中的表现是大尺度结构的出现:当L较小时,该大尺度结构是涡结构;当L较大时,是"带状"流动结构。

关键词：二维湍流能谱凝聚

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考虑光谱信息和超像素分割的高光谱解混网络

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遥感学报 2024年第1期28卷 142-153页

作者：谢金凤陈涛中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院武汉430074

在高光谱解混的过程中考虑影像的空间信息,能够有效提高解混精度。而超像素分割能够划分空间同质区域,为此本文提出一种考虑光谱信息和超像素分割的解混网络(SSUNet)。首先需对原始影像进行超像素分割处理,获得具有空间特征的超像素分... 详细信息

在高光谱解混的过程中考虑影像的空间信息,能够有效提高解混精度。而超像素分割能够划分空间同质区域,为此本文提出一种考虑光谱信息和超像素分割的解混网络(SSUNet)。首先需对原始影像进行超像素分割处理,获得具有空间特征的超像素分割数据,然后采用SSUNet对原始高光谱数据和超像素分割数据进行训练和解混。在线性和非线性混合模型生成的模拟数据集和两个真实数据集上的实验表明,与SUnSAL、SUnSAL-TV、SCLRSU、MTAEU、EGU-Net-pw和1DCNN的解混结果相比,所提网络具有更高的解混精度和较好的鲁棒性。

关键词：高光谱图像高光谱解混光谱和空间信息超像素分割深度学习卷积神经网络

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