云中小尺度湍流的观测方法技术

本发明专利技术公开了云中小尺度湍流的观测方法，采用准直扩束后的激光照明云团中的云雾粒子；采用高速相机连续采样云团中运动云雾粒子的数字全息图，利用数值重构算法获得数字全息图中在重构平面上具有zr再现距离的二维复振幅分布；对数字全息图依次重建不同距离，获得在采样区间内所有云雾粒子的数量、三维空间分布与粒径，高速相机连续拍摄后得到云雾粒子的三维位移量，结合采样时间可得云雾粒子的三维速度；根据云雾粒子的粒径和湍流频率判断粒子跟随性；根据云团中气流场的三维瞬时速度获得湍流场速度方差，湍流强度和平均湍流动能。本发明专利技术云中小尺度湍流的观测方法，现有技术中存在的观测云中湍流时采样频率低、测量参数单一的问题。

【技术实现步骤摘要】
云中小尺度湍流的观测方法
本专利技术涉及云物理
，具体涉及云中小尺度湍流的观测方法。
技术介绍
湍流是由云中许多不同大小的涡旋相互叠加而成，这些涡旋变化迅速，发展趋势难以预料。同时云是气候模拟中不确定性的主要来源，很难用模型精确参数化其微观物理过程，如云中风速和温度脉动。早期观测手段是使用像风杯等响应较慢的仪器，目前可通过超声风速仪采集高空湍流的风速脉动分量，或利用快速响应的白金丝温度脉动仪探测湍流的温度脉动。但是这些仪器得到的数据只是风速、温度较短时间的平均值，且探头对湍流场的干扰会导致获得湍流的脉动量只能在大尺度的量级上确保精度，而对云中小尺度湍流的描述存在局限性。此外，针对云中湍流进行定量研究是非常困难的，因为涉及的时空范围从数百米的含能涡流到Kolmogorov微米尺度，而且云层是多层、多尺度分布的，这也加大了仿真的难度。现有的湍流计算方法中雷诺平均的N-S方程(RANS)只能求解出平均流场的流动结构；大涡模拟方法(LES)是使用亚网格尺度(SGS)表示小于过滤尺度的脉动，而大于过滤尺度的涡则需要直接求解，从而分辨出更多的流动细节。2005年Lasher-trapp等应用50m的过滤尺度L在LES模拟中使用模型网格(Lasher-trapp,S.G.,W.A.Cooper,andA.M.Blyth,2005:Broadeningofdropletsizedistributions321fromentrainmentandmixinginacumuluscloud.Quart.J.Roy.Meteor.Soc.,131(605),195–322220,doi:10.1256/qj.03.199)极大程度上简化了湍流的模型估计；2011年Fiori等人提出当类似LES模型中的水平网格长度发生巨大变化时(由于高性能计算的可用性或对有限区域预测的需要)需要对云微物理过程进行可靠的参数化(FioriE,ParodiA,SiccardiF.2011.Uncertaintyinpredictionofdeepmoistconvectiveprocesses:turbulenceparameterizations,microphysicsandgrid-scaleeffects.Atmos.Res.100:447–56)，因为将其用于预测天气和研究气候的数值模型无法解析所有相关的尺度，即从云的微观尺度(亚厘米)到全球尺度(数千公里)。因此LES的实际应用受限很大。不同于RANS和LES在时空分辨率上的缩水，直接数值模拟(DNS)直接捕捉了湍流的全部细节，然而由于天文数字级别的计算量，目前DNS只能应用于简单几何的流动机理研究。由于云中湍流的时间尺度和空间尺度是正向相关的，小尺度湍流的存在时间也相对较短，这导致获取真实湍流数据的难度非常大，现有研究都局限于仿真计算和模型估计。因此，很有必要提出一种基于数字全息干涉术的云中小尺度湍流的观测方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供云中小尺度湍流的观测方法，解决了现有技术中存在的观测云中湍流时采样频率低、测量参数单一的问题。本专利技术所采用的技术方案是云中小尺度湍流的观测方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、采用准直扩束后的激光照明云团中的云雾粒子；步骤2、采用高速相机连续采样云团中运动云雾粒子的数字全息图，利用数值重构算法获得数字全息图中在重构平面上具有zr再现距离的二维复振幅分布；步骤3、对数字全息图依次重建不同距离，获得在采样区间内所有云雾粒子的数量、三维空间分布与粒径，高速相机连续拍摄后得到云雾粒子的三维位移量，结合采样时间可得云雾粒子的三维速度；步骤4、根据云雾粒子的粒径和湍流频率判断粒子跟随性；步骤5、根据云团中气流场的三维瞬时速度获得湍流场速度方差，湍流强度和平均湍流动能。本专利技术的特点还在于：二维复振幅分布具体为：式(1)中，R(x,y)是再现光波，用以还原云雾粒子的三维信息；u和v分别对应实际坐标系的x轴、y轴；I(x,y)表示全息图的强度分布；UR(u,v)是数值重建后的重建光波，包含云雾滴粒子的强度信息；j为虚部；k为波数；λ表示测量光波波长。湍流中云雾粒子运动的基本方程BBO具体为：式(2)中，其中，dp是粒径；ρp是粒子自身的密度；vp是粒子运动速度；vf是流体流速；ρf是流体密度；μ为流体的粘度；τ为粒子弛豫时间。速度方差具体为：式(3)中，N为全息图的张数；vi是每张全息图的粒子速度；是平均速度；三个方向的运动速度方差σx2，σy2和σz2分别为：湍流强度具体为：当i>0.1时，为高强度湍流；平均湍流动能具体为：本专利技术的有益效果是：本专利技术云中小尺度湍流的观测方法，可同步观测云微物理的多个参量，例如云滴谱、平均半径、数浓度、含水量等，可以达到观测云中小尺度湍流精细结构的目的，且采样频率高；本专利技术云中小尺度湍流的观测方法，可为云降水物理领域在重力与湍流碰并共同作用、湍流影响下云生消、湍流影响下夹卷等过程的科学研究提供理论与技术支持，进而为人工影响天气提供可靠的理论与数据支撑；本专利技术云中小尺度湍流的观测方法，可为获取云物理第一手可靠的观测资料，并提高对云降水物理过程的理论认识以及参数化方案的开发奠定数据支持与技术保障。附图说明图1是采用本专利技术云中小尺度湍流的观测方法获得的云雾粒子的三维分布图；图2是采用本专利技术云中小尺度湍流的观测方法获得的云雾粒子的粒谱分布图；图3是采样区间内17个粒子在0.044s内的运动轨迹图；图4是采样区间内17个粒子在0.044s内的速度矢量图；图5是云雾粒子在湍流场中的三维瞬时速度示意图；图6是本专利技术数字全息干涉光路示意图。图中，1.激光器，2.准直透镜，3.云团，4.显微物镜，5.高速相机。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术提出了云中小尺度湍流的观测方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，采用准直扩束后的激光照明云团中的云雾粒子；准直扩束功能由激光器1和准直透镜2实现，激光器可为固体、气体和半导体单频激光器，激光器波长可使用可见光波段中任意波长；准直透镜可为不同玻璃材质的球面、非球面的单透镜或透镜组；云团3可为云团或雾团；云团中运动云雾粒子的数字全息图通过显微物镜4放大后，由高速相机5采集；高速相机为CCD或CMOS；如图6所示。步骤2、采用高速相机连续采样云团中运动云雾粒子的数字全息图，利用数值重构算法获得数字全息图中在重构平面上具有zr再现距离的二维复振幅分布；采样频率≥100帧/秒，云雾粒子直径≥2μm；二维复振幅分布具体为：式(1)中，R(x,y)是再现光波，用以还原云雾粒子的三维信息；u和v分别对应实际坐标系的x轴、y轴；I(x,y)表示全息图的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.云中小尺度湍流的观测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：/n步骤1，采用准直扩束后的激光照明云团中的云雾粒子；/n步骤2、采用高速相机连续采样云团中运动云雾粒子的数字全息图，利用数值重构算法获得数字全息图中在重构平面上具有z

【技术特征摘要】
1.云中小尺度湍流的观测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，采用准直扩束后的激光照明云团中的云雾粒子；
步骤2、采用高速相机连续采样云团中运动云雾粒子的数字全息图，利用数值重构算法获得数字全息图中在重构平面上具有zr再现距离的二维复振幅分布；
步骤3、对数字全息图依次重建不同距离，获得在采样区间内所有云雾粒子的数量、三维空间分布与粒径，高速相机连续拍摄后得到云雾粒子的三维位移量，结合采样时间可得云雾粒子的三维速度；
步骤4、根据云雾粒子的粒径和湍流频率判断粒子跟随性；
步骤5、根据云团中气流场的三维瞬时速度获得湍流场速度方差，湍流强度和平均湍流动能。


2.根据权利要求1所述的云中小尺度湍流的观测方法，其特征在于，所述二维复振幅分布具体为：



式(1)中，R(x,y)是再现光波，用以还原云雾粒子的三维信息；u和v分别对应实际坐标系的x轴、y轴；I(x,y)表示全息图的强度分布；UR...

【专利技术属性】
技术研发人员：王骏，高攀，华灯鑫，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61