【CFD數值仿真算例】大氣重力波演變數值仿真

2021-02-15 Opatiya

【計算軟體】Basilisk/Gerris開源軟體
【仿真平臺】自建高性能計算集群
【算例說明】通過CFD數值仿真，可以模擬重力波演變的過程，為理解和預報大氣重力波提供重要依據
【工程應用】重力波預報預測、氣象探空氣球外載計算等
【創新貢獻】自動化計算流程+計算參數優化+後處理自動生成
【算例文件】請聯繫 15952010959（微信） 或 owen9020@126.com 

在靜力穩定條件下，當空氣被迫越過山脊而移動到背坡，其個彆氣塊將離開平衡位置而作浮力振蕩時，在山脊背風坡形成重力內波。《大氣科學辭典》中提到，背風波的波長與緯向風速成正比。在2～5千米高度的大氣層，平均風速為20米/秒時，背風波的波長是8～10千米；而在5～7千米高度的大氣層，平均風速為30米/秒時，背風波的波長是16千米左右。背風波的能源在地表面，波的等位相線隨高度向西傾斜。背風波對於動量上傳、晴空湍流以及地方性雲系的產生起到了重要作用 。

背風波是在氣流過山過程中位渦守恆的前提條件下形成的。位渦守恆表示：氣柱運動過程中絕對渦度與氣柱厚度的比值為常數。當西風爬越南北向山脈時，迎風坡有地形強迫抬升，氣柱被壓縮，厚度減小，則相對渦度隨之減小。由於初始相對渦度為0，減小後為負值，氣流形成反氣旋性曲率，即運動路徑沿逆時針方向偏轉。下山時氣柱厚度增加，若山是對稱的，則氣流下山後厚度變為初始厚度，則絕對渦度也恢復為初始值。由於氣流過山過程中一直為反氣旋式運動，因此下山後的位置通常比上山時偏南，則地傳參數將變小，因此相對渦度將比初始值大，即此時相對位渦大於0，則此時氣流具有氣旋式曲率，移動路徑將沿順時針方向偏轉，即向北運動。當氣流移動到上山時的緯度，地傳參數恢復初始值，相對渦度變回0，但由於慣性作用氣流仍在向北運動。隨著地傳參數的增大，相對渦度又開始減小，則氣流逐漸產生反氣旋性曲率，又逐漸往南偏轉；向南到一定緯度，地轉參數過小後相對渦度又增大為正值，氣流又向北偏轉。氣流的這一系列運動即形成了背風波，在背風坡一側形成的一列槽脊中，第一個槽對天氣影響較大，且在天氣圖上最明顯，稱為背風槽。而由於氣流在背風坡側的波動運動，導致能量和水汽的交換，常會形成與山脈走向幾乎平行的一系列條狀雲系 。

【參考文獻】

Stiperski, I., Serafin, S., Paci, A., Ágústsson, H., Belleudy, A., Calmer, R., … & Grubišić, V. (2017). Water tank experiments on stratified flow over double mountain-shaped obstacles at high-reynolds number. Atmosphere, 8(1), 13.

Sachsperger, J., Serafin, S., Grubišić, V., Stiperski, I., & Paci, A. (2017). The amplitude of lee waves on the boundary‐layer inversion. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 143(702), 27-36.

---

南京歐帕提亞信息科技有限公司
地址：南京市江寧開發區迎翠路7號一幢中關村軟體園
電話：15952010959（微信同）
郵箱：owen9020@126.com
---

相關焦點

  • 數值比較器仿真設計
    兩位數值比較器設計：1、兩位數值比較器原理    要比較兩位數值A=A1A0 和 B=B1B0，，比較結果用
  • 【EasyCAE教程】-- OpenFOAM可壓縮流(k-epsilon)仿真功能
    EasyCAE雲平臺(www.easycae.cn)在按照頁面提示上傳網格或劃分好網格完成後，點擊「仿真設計」，用戶即可看到下圖所示的分析類型選擇界面
  • 上海交大尹毅教授:聚合物絕緣高電場下電荷輸運的數值仿真及應用
    尹毅教授從電荷輸運數值仿真意義出發，總結了數值仿真在高場下的難點與複雜性，並展示了電荷輸運仿真幾類典型工程應用，給出了這一領域存在的問題及後期展望。
  • 基於CFD的船舶脫硫系統廢水導流裝置建模與仿真研究
    文章採用常用的商用計算流體力學軟體，通過對經過導流裝置後排出廢水的濃度、速度及 pH值進行數值計算，以驗證該裝置高效的稀釋作用。結果表明，該導流裝置具有高效的稀釋作用，排出廢水滿足法規排放要求。關鍵詞：船用脫硫；廢水排放；法規；計算流體力學引言隨著國際航運業及遠洋船舶運輸的發展，以重油為燃料的船舶發動機所產生的廢氣已成為沿海地區尤其是港口大氣的主要汙染源。
  • 【乾貨】手把手教你如何用ANSYS CFX仿真流場,以混合器示例
    CFX和Fluent都是ANSYS旗下專門用於流體力學仿真的兩個軟體。能夠同時被ANSYS保留下來，他們在流體仿真方面是有其各自優點的。由於Fluent的普及度和市場佔有率非常大，是大哥大，這裡就不介紹了。
  • 江西電科院,華東交通大學 曾晗,張靖,程宏波,等:考慮H2O影響的絕緣子電暈放電數值仿真
    高壓線路中絕緣子表面頻繁發生的電暈放電，將逐漸破壞絕緣子的絕緣性能並導致故障發生，為此利用建立的電暈放電模型對絕緣子電暈放電機理和演化規律進行分析，採用COMSOL有限元仿真軟體中的等離子體模塊，以及流體力學中的擴散方程對潮溼環境下絕緣子表面的電暈放電進行二維數值仿真。仿真結果驗證了該方法的有效性與實用性。
  • 「今日氣象」十六大成就片——數值天氣預報
    隨著計算機科學的發展，數值天氣預報從無到有，從簡單到複雜迅速發展起來。舉個例子，在各種軟體遊戲中，仿真程度越高的遊戲越受遊戲者歡迎。比如戰爭遊戲中如果被發射的子彈是以真實的彈道軌跡運動的，即使命中率不高，也會讓人更加感興趣。原因很簡單，仿真程度越高，就越會有身臨其境的感覺。　　在遊戲製造者的眼中，類似彈道軌跡這樣的仿真細節是由特定的數學方程式完成的。
  • 仿真方法的意義
    隨著數字孿生概念的走紅，仿真技術也變成了熱點。仿真不是新名詞：30年前我讀研究生的地方，就是浙江大學化工仿真教研室。
  • 航空發動機數值縮放技術的研究進展
    航空發動機數值仿真工程應用研究[D]. 成都: 電子科技大學, 2008.                    [28]Follen G, Aubuchon M.航空發動機數值仿真技術發展與應用[J].  現代國企研究, 2016(10): 150.        [72]曹志鵬, 劉大響, 桂幸民, 等. 某小型渦噴發動機二維數值仿真[J].  航空動力學報, 2009, 24(2): 439-444.        [73]胡燕華. 基於二維模型的發動機總體設計多學科優化方法研究[D].
  • 計算電磁學在電磁兼容仿真中的應用
    為此，提出了利用計算電磁學理論對用電設備的電磁兼容性進行分析，針對系統中不同電磁兼容問題以及不同數值計算方法的自身特點，選擇適用的數值方法對問題進行仿真計算。最終實現在產品的設計初期，就能夠對其電磁兼容性進行預測和評估，滿足其電磁兼容性的要求。
  • 微波EDA電磁場仿真軟體評述
    這些EDA仿真軟體與電磁場的數值解法密切相關，不同的仿真軟體是根據不同的數值分析方法來進行仿真的。通常，數值解法分為顯式和隱式算法，隨著問題的增加，隱式算法(包括所有的頻域方法)表現出強烈的非線性。顯式算法(例如FDTD、FIT方法)在處理問題時，表現出合理的存儲容量和時間。
  • 閥門水錘效應數值模擬
    本案例採用實雲自主流體仿真軟體對閥門水錘現象進行仿真，通過模擬特定閥門管道，可視化地展現在該管道中是否存在水錘現象以及產生的衝擊力的大小。對含有閥門的管道進行2D建模，管道直徑為0.05m，長1m，閥門長度為0.0457m，轉速3.14 rad/s，水流速度為2m/s。閥門初始位置示意圖如圖2。
  • 解讀地球 中科院發布「地球數值模擬裝置」原型系統
    中國科學院大氣物理研究所、曙光信息產業（北京）有限公司 、中科院計算技術研究所、中科院計算機網絡信息中心聯合發布了「地球數值模擬裝置」原型系統（以下簡稱「原型系統」）。這套基於中科院地球系統模式1.0版本的高性能計算機系統的落成，填補了我國地球系統模式大數據實踐平臺的空白。
  • 電影特效和工業仿真有什麼區別呢？
    原創：譚婧《親愛的數據》在科學家採訪中獲得的科普知識：電影特效和工業仿真有什麼區別？仿真是高性能計算的一個應用場景，也屬於工程計算。仿真問題的本質：物理場的離散，都是解某一類的偏微分方程，所以對數學要求比較高。電影特效的精度要求遠低於工業應用場景，其中醫學尤為更高。
  • 微課預告 l 綜合仿真體系及工具
    當前，仿真技術在中國的應用越來越普遍。在高端設備或流程的設計與研發階段，仿真技術也發揮著越來越大的價值。然而，我們發現，大多數企業的仿真還停留在初級階段，對仿真的認識存在一定的誤區，在仿真實踐中面臨著或多或少的困境。
  • 用於風力發電系統中的仿真技術
    通俗說來，仿真是指使用儀器設備、模型、多媒體技術，以及利用場地、環境的布置，模仿出真實系統的工作特性和環境，進而用於科學研究、工業設計、預測預報或教學訓練等目的的一項綜合技術。仿真若僅限於設計研究目的，則勿需仿真對象系統的環境，亦無實時仿真的必要，藉助一臺主流微型計算機和商業仿真軟體即可開展仿真研究工作。
  • 【科普】神馬是「數值天氣預報」?
    是指根據大氣實際情況，在一定的初值和邊值條件下，通過大型計算機作數值計算，求解描寫天氣演變過程的流體力學和熱力學的方程組，預測未來一定時段的大氣運動狀態和天氣現象的方法。數值天氣預報與經典的以天氣學方法作天氣預報不同，它是一種定量的和客觀的預報，正因為如此，數值天氣預報首先要求建立一個較好的反映預報時段的（短期的、中期的）數值預報模式和誤差較小、計算穩定並相對運算較快的計算方法。
  • 高階電路動態特性的仿真分析
    s域的方程組，用數值積分函數求微分方程的數值解，構建微分方程的Simulink模型觀測響應曲線。四種方法的仿真結果完全一致且與電路理論相符。實驗結果表明，Matlab程序簡潔、可讀性強且計算結果準確，同時它形象直觀，改變參數方便，能夠彌補硬體實驗的不足。Matlab在電路理論學科研究與工程實踐中都具有很好的應用價值。
  • CRT顯像管電子束著屏斑點的仿真分析
    本文對21寸屏幕的三槍三束彩色CRT顯像管整管進行仿真，進行了靜磁場、靜電場以及粒子軌跡的求解，完成了該CRT的磁偏轉、電聚焦和著屏斑點的仿真分析，證明了數值仿真CRT全管的可能性，並得到了初步結果，為磁屏蔽的仿真設計做好了前期準備工作。
  • 將仿真帶向大眾:COMSOL 發布最新版本,進一步提升開發仿真 App 的...
    作為多物理場建模、仿真及 App 設計軟體行業的引領者，COMSOL 公司今天正式發布了 COMSOL Multiphysics® 5.2 版本，為仿真業界帶來了全球獨有的仿真 App 全集成開發環境。最新版 COMSOL Multiphysics® 及 COMSOL Server™ 仿真軟體環境不僅提升了軟體的可靠性、穩定性及運行速度，還加入了多項新功能。