1 ndae Jl U0ncos3 V0nsin3容器
,ikZ1
k v = V0(-)因为3 - V1情况)罪3 + (-)dA eikZ1 (28)
X = U - cos 3 + V -罪3 + X1) dA eikZ1 (28 b)
复振幅方程我习(y) / (n) / Vi (n)获得的线性化系统(26 a、b), (27)。
(OoX - o - (- - k2j (X1V) = 2 - 2 kae-kn (o - v (29)
d2 < tl - fc2®!= X !b - 2 ke-k“®0„(29)
(®0 v = v | n - k2 + VVmk2 (30)
我们考虑系统解决方案(29 a、b),(30)减少远距离的表面,即。
系统的边界条件在水面(29 a, b)遵循(20)和(21)中表达曲线坐标(见(Reutov & Troitskaya, 1995))。
®1 ln = 0 = 0®1升= 2®;V1在0 = 0 (31)
唯一的非线性效应考虑准线性近似的波的解调干扰诱导的气流在水面。方程为平均速度剖面组件情况(n)和V0 (n)是通过以下步骤。(26 a, b)的平均为四维方程,(27)的平均收益率方程v0 (rj)。表达情况(n)和半(n)通过00 (n)和半(n)通过反演(28 a、b)和集成在风浪谱给:
dv ^{小(n, k, v, a) (n) [c°ns ^] + ri (n, k,],®)) n) jZT 'jjk2 ^ k) ^) kdkd] dw (32)
这里我\ \ (n, k, 0) (n), T±(q, k 0 >) (q)是波引起的动量通量的组件表面波与波数k,频率的传播角度0到风。
表达我\ \ (q, k, 0) (q)是(26 a, b)
T (n, k,],®) (n) = k [kvnRe (®1 n - k®1) e ^ + 2 k2e-2knvrju0 cos)和表达T±(q, k, 0) (q)之前(27)
t1 (rn - k) = 1 kd \ m (®1 v1)
方程(32)表达的垂直通量守恒律的两个预测水平湍流边界层的动量分量。如果湍流剪切应力在一个大的距离表面直接沿着x,意味着动量守恒定律的组件可以写成如下:
(n) + Tm (-) = M.2
因为根据(32)非线性的风速剖面是由频率-波数谱年代(m, k, 9)表面波的频谱是模型的一个关键组成部分。在实验室实验中,我们测量了气流速度剖面与水面的高度在3点。这些数据是充分的获取三维谱年代(>,k)所需计算形成阻力,与实验数据进行比较。高频频谱的一部分,可以导致表面粗糙度,插值的基础上可用数据的幂律指数的确定实验光谱。
5.2精细结构的湍流气流在陡峭和碎波
让我们首先讨论的适用性的建议模型描述气流陡峭和碎波发生在强风的水槽。模型利用两个主要假设:关闭假说和准线性近似风浪交互的描述。准线性近似假设,波浪诱导气流的扰动被认为是线性近似,即波浪诱导气流的扰动被认为是线性近似,但波的电阻影响动量通量平均流速剖面上考虑,即模型中的平均气流作为布施。
一个可以预期的存在强非线性现象,比如庇护,流动分离,等等,陡峭的情况下和碎波。通过接触这些现象进行调查和烟雾的可视化实验的方法(横幅&梅尔维尔,1976),(1979年河村建夫&多巴),(卡瓦依,1981),(卡瓦依,1982),(Hsu &徐,1983),(Hsu et al ., 1981)。这些实验的主要困难是关心的测量气流接近水面,尤其是在波的波谷。可以通过执行这些测量后联系技术((Hsu &徐,1983),(Hsu et al ., 1981), (Donelan et al ., 2005)。风的同时,测量的问题下面流波的波峰(卡瓦依,1981),解决了(卡瓦依,1982)通过播种小颗粒的流动可视化与选通脉冲光源及应用特殊的拍摄技巧。卡瓦依的实验证明出现气流分离的陡波的波峰的即时图像流。
最近,气流波的结构已经进行了详细的调查方法,粒子图像测速技术(PIV) (Adrian, 1991),当流与小颗粒种子被激光,然后用一个数码相机。这种技术被应用(勒尔出版社。1999),(勒尔出版社。,2008年)和(贝隆等人,2007),清楚地展示了气流分离的影响从波的波峰和回贴的迎风面波速度场的瞬时模式向量。
应该强调,PIV技术提供了一个即时的速度场,但湍流边界层中的流动分离重力波是一种强非平稳过程由于气流的随机特性和简洁的突发事件,这通常发生在一个小的一部分波的周期(邓肯et al ., 1999)。同时,海气界面通量和风浪成长的模型利用风流动参数平均值湍流波动。我们结合即时气流速度场的测量表面波与统计平均(Troitskaya et al ., 2010)。向量场为后续的统计系综平均得到的高速视频拍摄和处理影片的PIV算法。个人流动实现体现了流动分离的典型特征类似于通过(卡瓦依,1981),(卡瓦依,1982),(勒尔出版社。1999),(勒尔出版社。,2008年)和(贝隆等人,2007)。阶段的平均参数检索的平均个人的向量场。平均流模式似乎是光滑,稍不对称,最低的水平速度在水面附近转移到背风一侧的波形(fig.6a相比,b)。这些测量的结果与计算在湍流边界层的拟线性模型在5.1节描述。波参数(波长、敏捷、陡度),用于这个理论与实验的比较,从相同的视频电影检索这些用于气流速度的计算。模型的计算是在良好的协议与实验测量和有条件的平均风速,湍流压力和振幅和相位的波浪诱导速度的主要谐波组件。 (see fig.7a,b).
150 200 250 300
0 50 100 150 200 250 300 350 400
图6所示。向量在气流速度场paddle-generated波后参考系检索从高速数字粒子图像velosimetry拍摄的视频。风摩擦速度u * = 200 mm / s,波长k = 0.15 cm - 1,斜率ka = 0.25。(一)——瞬时模式,(b)系综平均的模式。
适用性测试的平均场的准线性理论描述气流陡峭甚至碎波,当分离的影响体现在瞬时流图像,可以定性解释的强烈的非平稳特征分离过程与典型的时间远小于波的周期,和小范围的流动分离领域的异质性。在这种情况下小规模漩涡内产生分离泡沫影响平均流量和风致干扰涡流粘度。然后平均流的湍流影响领域一个非常粘性流体。然后有效雷诺数平均字段由涡流粘度不大甚至陡峭的波浪。它遵循从这个假设强烈非线性的影响如流分离应该不会在流平均湍流波动。我们鼓励这些结果应用表单的准线性模型计算拖到水面的强风。
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500
图7所示。比较理论和实验:(a)的平均速度剖面;(b) -压力剖面。符号-实验曲线计算qausi-linear内波的测量参数和模型风(看到Troitskya et al ., 2010)。
70 6050 40 -
N 30 2010
70 6050 40 -
N 30 2010
-80000 -60000 -40000 -20000
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500
-80000 -60000 -40000 -20000
图7所示。比较理论和实验:(a)的平均速度剖面;(b) -压力剖面。符号-实验曲线计算qausi-linear内波的测量参数和模型风(看到Troitskya et al ., 2010)。
依赖水面形成阻力的计算模型中的(29-32)中给出的参数测量在水槽fig.8一起测量海面阻力系数。很明显,在低和温和的风和强风(超过阈值24.5 m / s)模型是在良好的协议与数据。所以饱和度平均斜率的占主导地位的海浪使表面电阻的一个解释饱和度、定性和定量。
20 30
图8所示。依赖的表面阻力系数风速、比较理论和实验室实验。测量——封闭的圈子,理论计算:广场——短波频谱的表面波,十字架,被忽视的短波频谱的表面波。
我们也调查了敏感性模型的表面波的频谱。在计算fig.8所示穿过短的表面波的影响被切断了表面波在波数谱120 m - 1。fig.8节目中出现明显的依赖性比较高的CD波数谱的一部分。不幸的是,测量短的光谱波(厘米和毫米波长)与高空间分辨率是一个困难的问题尤其是在有力的翅膀。开发的光学方法(Jahne等,2005),(Rosholtz, 2010)是实验室条件下的承诺。
6。结论和讨论
所以在极强的海面风阻力系数在田间和实验室条件下显示异常压扁,甚至减少依赖于风速。在这里我们建议一个可能的解释这一现象由于大风使平滑的水面压力吹陡峭的表面波的波峰。这个假设是我们实验室的实验证实了风和波光谱测量。理论模型的预测是在良好的协议与测量。
讨论风浪互动的关系是很重要的领域和实验室条件极强风。首先,实验室和现场条件下强烈不同取回。波在实验室槽与大自然相比是非常“年轻”,即他们对应波的初始阶段发展。在这个阶段相对应的波的相速度谱峰Cp与风速U10相比是很小的。的年龄,即参数波Cp / Uj0 < < 1。风浪交互是谐振过程和互动是集中在层风速接近波的相速度。在理论(英里,1957),(1959英里)的交互发生在关键层,在风和波速度一致。在第四节中描述的更复杂的模型,包括模型的交互发生在一层不变的厚度。由于风速剖面非常锋利,这一层是非常薄的位置非常接近水面Cp < Ui(/ 2(菲利普斯,1977)和“年轻”的近似海是有效的。也就是说,风浪的区域能量交换位置接近水面的“年轻”波和波略取决于年龄参数。 In other words, since "young" waves propagate much slowly than wind they interact with the wind as almost stationary surface roughness.
波年龄参数可以很容易地估计的提出的经验公式(Donelan, 1985):
热带气旋的风速分布不均匀。让我们先估计波时代产生的波浪参数最大风速,那么x约等于最大风力r0的半径。对于一个典型的ro = 50公里,U1o = 60 m / s得到U10 / Cp = 4.3。盖尔的力风面积通常x = 150公里,Uj0 = 20 m / s,然后U10 / Cp = 1.4。这些估计显示,“年轻的海”的近似可以申请描述最大风速半径附近的海气相互作用类似于实验室条件下。
另一个控制参数在粗糙表面流动的雷诺数,而平均流湍流波动控制的有效雷诺数Ret取决于有效的涡流粘度vt。在风浪中交互vt = u ?/ ck, c和k相速度和波数(见Troitskaya & Rubushkina, 2008)。特征尺度的粗糙波浪水表面波振幅峰值av和气流速度由U10缩放。主波的简单代数给c k
依赖的详细分析波场能量的获取(见詹森,2002))
考虑到CD在高风饱和在大约0.002产量最大的地区附近的飓风风场条件Ret«10,在实验室条件下Ret«5。所以,大量的控制参数在实验室和现场条件。然后我们可以预期,我们可以在实验室的动量交换模型槽。
应该提到的,,还有一些其他的海气相互作用的影响在飓风风力条件,可以专门研究实验室。飓风风波是由膨胀产生强烈影响飓风墙附近的风速是最大的。这是“混合”膨胀当地的风波产生复杂的多光谱(年轻,2006)。海面上的膨胀效果拖了定性(鲍威尔,2007)。在膨胀槽可以被人为地模拟生成长波浪。
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继续阅读:垂直风切变如何影响热带气旋强度变化的概述
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