Лазерные методы определения параметров и пространственной структуры турбулентных ветровых полей

• Автор: Фалиц, Андрей Вячеславович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 151 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Измерение скоростей в газовых потоках
ПО РАССЕЯННОМУ ОПТИЧЕСКОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ
1.1. Принцип работы импульсного когерентного донлеровского лидара
1.1.1. Выражение для фототока детектируе1юго
сигнала КДЛ
1.1.2. Статистика составляющей фототока jc(t)
1.1.3. Доплеровская оценка скорости ветра
1.2. Оптические методы измерения скорости,
основанные на регистрации изображения
1.2.1. Атмосферный вариант PIV
Основные выводы главы
Глава 2. Моделирование доплеровского лидарного сигнала и когерентных изображений рассеивающего слоя АТМОСФЕРЫ
2.1. Моделирование лидарного сигнала
2.2. Атмосферная турбулентность и моделирование турбулентного поля ветра
2.3. Структурная функция доплеровской оценки скорости
2.4. Формирование изображения пятна подсвета рассеивающего атмосферного слоя
Основные выводы главы
Глава 3. Оценивание параметров ветровой турбулентности
ИЗ ДАННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ СКОРОСТИ ВЕТРА КОГЕРЕНТНЫМИ ДОПЛЕРОВСКИМИ ЛИДАРАМИ
3.1. Метод параметрической подгонки продольных структурных функций флуктуаций скорости ветра, измеренной лидаром с большим объемом зондирования
3.2. Определение параметров ветровой турбулентности
из данных измерения ветра лидарной системой WIND
3.3. Определение параметров ветровой турбулентности из измерений скорости ветра радаром с синтезированной апертурой по морскому волнению
3.4. Оценивание параметров ветровой турбулентности из поперечной структурной функции турбулентных флуктуаций лидарной оценки скорости ветра
Основные выводы главы

Глава 4. Визуализация поля скоростей по рассеянному
ЛАЗЕРНОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ
4.1. Визуализация поля скоростей и оценивание поперечной скорости ветрового движения
в рассеивающем атмосферном слое
4.1.1. Визуализация 2-0 поля скоростей
4.1.2. Оценивание поперечной скорости ветра
4.2. Визуализация поля скоростей в слое турбулентной атмосферы по просвечивающему слой
оптическому излучению
Основные выводы главы
Заключение
Литература
Введение
Исследования турбулентных течений жидкостей и газов ведутся на протяжении уже многих десятилетий. Основополагающие сведения о турбулентности можно найти, в частности, в курсе теоретической физики [1]. И, если процессы зарождения турбулентности, перехода от ламинарного к турбулентному движению являются предметом исследований и острых дискуссий и в настоящее время (см., например, [2, 3]), то основные закономерности развитой турбулентности были установлены еще в 1940— 1950 гг. [4-8].
Из общего числа исследований по турбулентности выделяются исследования по турбулентности атмосферы. Проблемам атмосферной турбулентности посвящены многие тысячи статей и десятки монографий. Среди последних можно привести монографии [9-19], где дано обобщение результатов по различным аспектам теории и экспериментальных исследований развитой атмосферной турбулентности. Активно ведется изучение особенностей динамики приземного и пограничного слоя атмосферы в условиях термической расслоенности [20-36].
Измерения скорости ветра и температуры при исследованиях атмосферной турбулентности, как правило, осуществляются с использованием прямых датчиков или акустических анемометров, устанавливаемых на метеорологических мачтах. Большой вклад в изучение турбулентности приземного и нижнего пограничного слоя атмосферы внесен сотрудниками ИФА РАН [11, 37-44] и НПО «Тайфун», где располагается уникальная 300 м метеорологическая вышка [17,44-47]. Исследования турбулентности свободной атмосферы выполнялись с помощью измерений прямыми датчиками с борта самолета сотрудниками ИФА РАН и Центральной аэрологической обсерватории [12, 48-54].
В то же время представляется очевидным, что перспективой развития

где {...)- означает усреднение по ансамблю реализаций скорости ветра V,; Яе(7(г,)) 11е(7“ (?2)) — усреднение по случайным координатам частиц {г,, р,}. Рассмотрим временную корреляционную функцию функции У{1)
Так как рассеивающие частицы являются независимыми, корреляционную функцию можно представить в виде суммы
Первое слагаемое в (1.38), для которого выполняется условие / = /', имеет смысл средней суммы сигналов интерференции рассеянных волн. Второе слагаемое в (1.38) является произведением средних сумм сигналов, рассеянных от отдельных частиц, и равно 0.
Если выбрать т = /2~/, значительно меньше характерного времени изменения скорости Ег(2,, Р,т), то можно записать
где р, ер,(0.
Усреднение в (1.39) необходимо осуществить по случайным положениям рассеивающих частиц с координатами {г,,р,}. Операцию усреднения по ансамблю частиц можно осуществить с помощью следующего правила:
(1.37)
(1.38)
функция (1.37) принимает вид
(1.39)
(1.40)
где F(zi.pt)- произвольная функция, зависящая от координат; ВЛ,
s Vol