大气光学湍流强度的描述和测量

大气湍流引发图像畸变的校正研究

第32卷第3期电子科技大学学报V ol.32 No.3 2003年6月 Journal of UEST of China Jun. 2003 大气湍流引发图像畸变的校正研究钱雪彪*刘永智 (电子科技大学宽带光纤传输与通信系统技术国家重点实验室成都 610054) 【摘要】用CCD(电荷耦合器件)拍摄远距离目标时，大气湍流使得图像发生畸变，导致CCD无法有效的用于远距离目标的识别与监控。由此该文分析了大气湍流的原理及对图像的主要影响，提出了克服大气湍流影响的有效方法，实验证明，取得较好的效果。关键词电荷耦合器件; 图像传感; 大气湍流; 图像畸变; 图像校正中图分类号TN911.73 文献标识码 A Research of Correct Image Distortion Caused by Atmosphere Turbulence Qian Xuebiao Liu Yongzhi (State Key Laboratory of Broadband Optical Fiber Transmission and Communication Networks, UEST of China Chengdu 610054) Abstract The image will be distorted when we take the object’s picture with CCD at long range because of atmosphere turbulence. We can’t availably recognize and monitor long distance object for this reason. This article explained the theory of atmosphere turbulence and the main affection to image caused by atmosphere turbulence. The solution was given to correct image distortion. The effect of the solution is proved by experiment. Key words charge coupled device; image sense; atmosphere turbulence; image distortion; correct 在传感领域基于(charge coupled device，CCD)的图像传感系统是当前研究的一大热点，该系统使用CCD 摄取目标图像，通过图像处理得到所需信息，具有非接触、信息量大以及灵敏度高等优点，已经在图样识别、几何尺寸测量、位置测量等方面得到了广泛应用。但是到目前为止其应用都局限于短距离目标监测，而在大桥形变、山体滑坡等远距离监控领域却一直无法得到广泛的开展，这主要是由于CCD在获取远距离目标图像时受到大气湍流的影响，所得图像存在畸变，不能准确的再现目标的各种属性，会给最终的监测结果带来较大的误差。因此研究从受大气湍流影响的低质量图像中准确提取有用信息，并且有效克服大气湍流带来的噪声和误差是拓展CCD在远距离目标高精度监控领域应用的关键，具有相当重要的意义。本文将对大气湍流的成因及由其引发的图像畸变进行了深入的分析，提出了克服大气湍流影响的有效方法。 1 大气湍流效应对图像的主要影响在大气中，任一点运动速度的方向和大小时刻发生着不规则变化，产生了各个大气分子团相对于大气整体平均运动的不规则运动，这种现象称为大气湍流[1]。大气湍流会引起空气中任意位置折射率的随机变化，导致光束在同一路径的空气中传播却有着不同的折射率，使得接收到的信号存在着闪烁现象。由湍流引起 2002年12月24日收稿 * 男 24岁博士生主要从事光通信与光传感方面的研究

各种光学现象

天空为什么是蓝的：因为当太阳光进入大气后，空气分子和微粒（尘埃、水滴、冰晶等）会将太阳光向四周散射。因为当微粒的直径小于可见光波长时散射强度和波长的四次方成反比，所以波长较长的红黄等光透射性大，大部分能够直接透过大气射向地面，而波长较短的蓝紫光，很容易被大气散射，但空气分子对紫光的吸收作用较强，所以晴天时天空是蓝色的。吹肥皂泡时的光学现象：刚开始时，肥皂泡各处厚度较厚，发生等厚干涉时各级彩色条纹重合在一起，故显为白色，在重力的作用下，使肥皂泡上面薄下面厚，发生等厚干涉时各级彩色条纹分开，故显为彩色，当肥皂泡越来越薄，其厚度接近可见光波长时，所有光干涉相消，从而为无色透明。油膜的彩色原理：光在油膜上发生等倾干涉。晕：天空中有一层高云，阳光或月光透过云中的冰晶(卷状云、冰雾等)时发生折射和反射，便会在太阳或月亮周围产生彩色光环，光环彩色的排序是内红外紫。称这七色彩环为日晕或月晕，统称为晕。为什么日出日落太阳是扁的：由于地球引力的作用，大气层中的空气密度是不均匀的，越接近地面密度越大。早晨和傍晚，太阳光是斜着通过密度不均的大气层的，就会产生明显的折射现象。这种折射越近地面越强，因而，从太阳这个巨大火球下部边缘射来的光线，比它上部边缘射来的光线折射得厉害，下缘也就比上缘抬高的更显著一些。

为什么天上的星星一闪一闪的：由于恒星距地球远，在地球上只能看见一个小点，当光线穿过大气层时，光线经大气要屡次折射，大气是流动的，这样星星发射的光在传到观察者眼睛的过程中就会忽前忽后、忽左忽右、忽明忽暗，总在不时的变化，所以后一闪一闪的。月全食时月亮缘何“脸红”？ “红月亮”归功于暗红色的光，其实就是照射到月面上的太阳光。在地球周围有层像薄纱似的透明度较好的大气层，阳光从地球侧面的大气中穿行时，是先从空间进入大气层，然后，又由大气层进入空间，这样就产生了两次折射，结果和光线透过凸透镜相仿，有点向内弯，向地心方向偏折的聚合光线就照到月亮上去了。太阳光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫各种颜色的光线混合成的。当太阳光经过地球上的大气层被折射到地球背后影子里去的时候，它们都受到大气层中极其微小的大气分子的散射和吸收。像黄、绿、蓝、靛、紫等色的光波比较短，在大气中受到的散射影响比较大，它们大部分都向四面八方散射掉了；红色的光线波长比较长，受到散射的影响不大，可以通过大气层穿透出去,折射到躲在地球影子后面的月亮上。所以，在月全食时，公众看到的月亮是暗红色的，即所谓的“红月亮”。插入水中的筷子在水面处“弯折” 光从空气进到水里，因为水的密度比空气大得多，于是，在水和空气相交处发生折射，不再沿着原来的方向转播。把筷子伸进水里时，我们眼睛看到的是水下那部分已经发生折射的光线。这股光线当然不会与水面上的光线成一条直线，所以筷子没有断，但是看起来却像断了一样。

大气物理学基础综合考试大纲

中国科学院大气物理研究所硕士研究生入学考试《大气物理学基础综合》考试大纲本《大气物理学基础综合》考试大纲适用于中国科学院大气物理研究所大气科学学科有关专业的硕士研究生入学考试。大气物理学是大气科学的重要分支，是许多专业学科的基础理论课程。大气物理学考试内容主要包括大气组成与物理特性及其垂直结构、大气辐射学、大气边界层物理、云和降水物理学和大气电学等几大部分。要求考生对这几部分的基本概念有较深入的了解，掌握描述大气状态和变化的基本原理和公式及其应用。一、考试内容（一）地球大气的成分与分布 1．对流层干空气的主要组成成分与次要组成成分 2．干空气状态方程 3．地球大气中与人类生存有关的碳化合物的主要来源及影响4．臭氧的产生、空间分布及臭氧损耗 5．大气中硫的化合物及氮的化合物的来源及影响 6. 表示大气湿度的物理量及相互关系 7. 克拉珀龙－克劳修斯方程 8. 水汽的状态方程 9. 湿空气的状态方程 10.大气气溶胶的概念、谱分布、来源及在大气过程中的作用（二）大气气压场及大气的分层结构 1. 大气静力学方程、大气压力与高度的关系

2. 标准大气 3. 全球海平面气压分布特征 4. 大气的垂直分层及其特点（三）大气辐射学 1.大气辐射场的物理量 2.大气辐射的基本定律 3.大气分子吸收（谱） 4. 大气粒子对辐射的散射理论 5. 太阳辐射在地球大气中的传输 6. 地球－大气系统的长波辐射 7. 地气系统的辐射平衡（四）大气热力学 1. 大气热力学基本规律 2. 大气中的干绝热过程 3. 温度对数压力图解 4. 绝热等压混合过程 5. 大气静力稳定度判据以及条件性不稳定 6. 形成大气逆温层的原因（五）大气动力学 1. 大气动力学基本方程组 2. 大气运动的尺度分析及近似（六）大气边界层 1. 湍流及大气湍流的基本特征 2.大气湍流特征量的统计描述 3. 大气湍流的控制方程

fluent湍流设置

湍流边界条件设置在流场的入口、出口和远场边界上，用户需要定义流场的湍流参数。在FLUENT 中可以使用的湍流模型有很多种。在使用各种湍流模型时，哪些变量需要设定，哪些不需要设定以及如何给定这些变量的具体数值，都是经常困扰用户的问题。本小节只讨论在边界上设置均匀湍流参数的方法，湍流参数在边界上不是均匀分布的情况可以用型函数和UDF（用户自定义函数）来定义，具体方法请参见相关章节的叙述。在大多数情况下，湍流是在入口后面一段距离经过转捩形成的，因此在边界上设置均匀湍流条件是一种可以接受的选择。特别是在不知道湍流参量的分布规律时，在边界上采用均匀湍流条件可以简化模型的设置。在设置边界条件时，首先应该定性地对流动进行分析，以便边界条件的设置不违背物理规律。违背物理规律的参数设置往往导致错误的计算结果，甚至使计算发散而无法进行下去。在Turbulence Specification Method （湍流定义方法）下拉列表中，可以简单地用一个常数来定义湍流参数，即通过给定湍流强度、湍流粘度比、水力直径或湍流特征长在边界上的值来定义流场边界上的湍流。下面具体讨论这些湍流参数的含义，以保证在设置模型时不出现违背流动规律的错误设置：（1）湍流强度（Turbulence Intensity）湍流强度I的定义为：I=Sqrt(u’*u’+v’*v’+w’*w’)/u_avg (8-1) 上式中u',v' 和w' 是速度脉动量，u_avg是平均速度。湍流强度小于1％时，可以认为湍流强度是比较低的，而在湍流强度大于10％时，则可以认为湍流强度是比较高的。在来流为层流时，湍流强度可以用绕流物体的几何特征粗略地估算出来。比如在模拟风洞试验的计算中，自由流的湍流强度可以用风洞的特征长度估计出来。

中考物理专题光学教案光现象透镜及其应用

《光现象》复习教学案（2课时）蒋中初三备课组一.教学目标： 1、了解光的色散 2、知道光的三原色和颜料的三原色 3、知道红外线和紫外线以及它们的主要特征和应用 4、知道光的直线传播的条件并能用直线传播的原理解释一些现象 5、知道平面镜成像原理及其应用 6、掌握光的反射定律及了解其应用二、知识回顾 1、______ 叫做光源。光源分为______ 禾廿___ 。 2、白色光不是单纯的光，它是由______________________________ 七种不同的色光组成，当太阳光通过三棱镜后，会分解成七色光的现象叫_________________ 。首先用实验研究光的色散现象的是英国物理学家 ________ 。 3、光的三原色是指________________ 。颜料的三原色是指 ________________ 。 4、有色的透明物体只能透过________ 的色光，即透明物体的颜色是由色光决定的。有色的不透明物体只能反射 _______ 的色光，不透明物体的颜色是由它__________ 色光决定 5、光具有的能量叫____ 。太阳的热主要是以_______ 的形式传送到地球上来的。 6、红外线能使被照射的物体发热，因此它具有____________ 效应；紫外线最显著的性质是它能 ______________ 。 7、光在传播的过程中，如果遇到不透明的物体，在物体的后面不能到达的区域便产生了影子，这说明光是 ___________________ 。 8、平面镜的成像特点是：①平面镜所成的像不能呈现在白纸上，是—像。②像的大小与物体的大小 ________ 。③像与物的连线与镜面________ ④像到镜的距离与物到镜的距离 _______ 。⑤像与物以镜面_____________ 的。 9、在“研究平面镜成像的特点”实验中，在桌面竖立一块玻璃作为平面镜。实验时，要使镜后的物体与镜前物体成的像重合，这是为了____________________________ ，从而发现的特点；如果用尺量出物、像到平面镜的距离则发现_______________ 的规律；如果用笔画出物、像对应点的连线，则发现物、像对应点的连线与镜面__________________ ;平面镜成的是 ______________ 像。

紊流参数的确定

决定湍流参数在入口、出口或远场边界流入流域的流动，FLUENT需要指定输运标量的值。本节描述了对于特定模型需要哪些量，并且该如何指定它们。也为确定流入边界值最为合适的方法提供了指导方针。使用轮廓指定湍流参量在入口处要准确的描述边界层和完全发展的湍流流动，你应该通过实验数据和经验公式创建边界轮廓文件来完美的设定湍流量。如果你有轮廓的分析描述而不是数据点，你也可以用这个分析描述来创建边界轮廓文件，或者创建用户自定义函数来提供入口边界的信息。一旦你创建了轮廓函数，你就可以使用如下的方法： ●Spalart-Allmaras模型：在湍流指定方法下拉菜单中指定湍流粘性比，并在在湍流粘性比之后的下拉菜单中选择适当的轮廓名。通过将m_t/m和密度与分子粘性的适当结合，FLUENT为修改后的湍流粘性计算边界值。 ●k-e模型：在湍流指定方法下拉菜单中选择K和Epsilon并在湍动能（Turb. Kinetic Energy）和湍流扩散速度（Turb. Dissipation Rate）之后的下拉菜单中选择适当的轮廓名。 ●雷诺应力模型：在湍流指定方法下拉菜单中选择K和Epsilon并在湍动能（Turb. Kinetic Energy）和湍流扩散速度（Turb. Dissipation Rate）之后的下拉菜单中选择适当的轮廓名。在湍流指定方法下拉菜单中选择雷诺应力部分，并在每一个单独的雷诺应力部分之后的下拉菜单中选择适当的轮廓名。湍流量的统一说明在某些情况下流动流入开始时，将边界处的所有湍流量指定为统一值是适当的。比如说，在进入管道的流体，远场边界，甚至完全发展的管流中，湍流量的精确轮廓是未知的。在大多数湍流流动中，湍流的更高层次产生于边界层而不是流动边界进入流域的地方，因此这就导致了计算结果对流入边界值相对来说不敏感。然而必须注意的是要保证边界值不是非物理边界。非物理边界会导致你的解不准确或者不收敛。对于外部流来说这一特点尤其突出，如果自由流的有效粘性系数具有非物理性的大值，边界层就会找不到了。你可以在使用轮廓指定湍流量一节中描述的湍流指定方法，来输入同一数值取代轮廓。你也可以选择用更为方便的量来指定湍流量，如湍流强度，湍流粘性比，水力直径以及湍流特征尺度，下面将会对这些内容作一详细叙述。湍流强度I定义为相对于平均速度u_avg的脉动速度u^'的均方根。小于或等于1%的湍流强度通常被认为低强度湍流，大于10%被认为是高强度湍流。从外界，测量数据的入口边界，你可以很好的估计湍流强度。例如：如果你模拟风洞试验，自由流的湍流强度通常可以从风洞指标中得到。在现代低湍流风洞中自由流湍流强度通常低到0.05%。. 对于内部流动，入口的湍流强度完全依赖于上游流动的历史，如果上游流动没有完全发展或者没有被扰动，你就可以使用低湍流强度。如果流动完全发展，湍流强度可能就达到了百分之几。完全发展的管流的核心的湍流强度可以用下面的经验公式计算：

湍流的统计特性及对激光大气传输的影响

第4章湍流的统计特性及对激光大气传输的影响分析激光大气传输湍流效应本质上就是光在湍流大气中的传播问题。20世纪50年代前苏联学者Tatarskii引入Kolmogorov和Obukhov发展的湍流统计理论，求解湍流大气中波传播方程，取得的一些理论结果相当好地解释了在此以前所取得的实验结果，从而奠定的光波在湍流大气中传播的理论基础。然而，由于激光在湍流大气中的传播是一个十分复杂的随即非线性过程，特别是大气湍流存在的间歇性，对激光传输有着难以估计的影响。 4.1大气湍流的成因在大气中，任一点的大气运动速度的方向和大小无时无刻不发生着不规则变化，产生了各个大气分子团相对于大气整体平均运动的不规则运动，这种现象称为大气湍流。通常情况下大气都处于湍流状态，大气的随机运动产生了大气湍流，由于大气湍流的存在，大气温度和折射率也时刻发生着不规则的变化。形成大气湍流的原因大致有四点。第一，太阳的照射造成的大气温度差，太阳辐射对地表不同地区造成加热不同;第二，地球表面对气流拉伸移位导致了风速剪切;第三，地表热辐射产生了热对流;第四，伴随着热量释放的相变过程(沉积、结晶)导致了温度和速度场变化。图4.1形象的表述了湍流的形成。

上图是英国的物理学家形chardson描绘的湍流的一个级串模型，虽然湍流的运动很复杂，但通过上图仍能对湍流有一个形象的认识。上图表示湍流含有尺度不同的湍涡，而各种能量从大尺度湍涡一步一步向小尺度湍涡传递。外界的能量传递给第一级大湍涡，由于受风剪切等因素的影响，大湍涡逐渐变得不稳定形成次级小湍涡，小湍涡再次失稳后再形成更次一级的许多小湍涡。从图中可以看出，湍涡的大小有限，最大的湍涡的尺寸大小是外尺度 L，最小的湍涡是内尺度0l。尤其重要的是，这些大大小小的湍涡没有分散存在于大气中，而是交叉重叠的存在于大气中。 4.2 Kolmogorov-Oboukhov湍流统计理论虽然迄今为止人们对湍流的基本物理机制尚还不十分清楚，但已形成几个公认的基本概念，包括随机性、涡粘性、级串、和标度率。随机性构成了湍流统计理论的基础；涡粘性揭示了湍流相近尺度间的相互作用行为；级串给了我们最直观、最明晰的湍流图像；标度律则成为物理上定量研究湍流问题的数学手段。在直观的湍流现象中，Richardson首先给出了湍流的级串图：湍流中存在着不同尺度间的逐级能量传递，由大尺度湍涡向小尺度湍涡输送能量。第一级大湍涡的能量来自外界，大湍涡失稳后形成次级的小湍涡，再失稳后产生更次一级的小湍涡。在大雷诺数下，所有可能的运动模式都被激发。基于Richardson级串模型。Kolmogorov认为在大雷诺数下，这些不同尺度的湍

windfarmer中湍流定义

WindFarmer中湍流定义 1. 关于风速的估计设计等效湍流（通道10）：使用Frandsen方法估计设计等效湍流，并使用Wohler系数进行加权调整。（Wohler系数是和组件的材料和尺寸相关的，可以从S-N的对数-对数曲线的斜率-循环应力S对疲劳循环次数N的幅度中得到，4一般是简单的钢组件，10-15之间是简单的复合材料组件）。为了描述疲劳寿命的变化，而不只是描述湍流带来的载荷影响，所以输出量使用Wohler 系数进行加权调整。该通道10计算的特征或代表湍流强度值可以用于比较允许设计水平。（摘自《风场湍流强度的计算及其对风电机组选型的影响》作者王承凯） 2. 关于风速和风向的未计算且未加权的平均湍流（通道11）：使用Frandsen方法估计的设计等效湍流。考虑平均湍流强度，排除任何Wohler权值或者因数值。 3. 风机入射湍流（通道7）：入射湍流强度，包含其他风机的尾流影响。 4. 风机环境湍流（通道8）：不计尾流的湍流强度。 5. 实际工程计算得到的风机入射湍流与环境湍流值一样。 5. 对风机载荷更具体的分析，需要使用粘性涡流模型来获得在风电场中实际的

湍流强度，以及特定的风机设计参数，需要使用Bladed软件来建模风机载荷。 6. WindFarmer中附加湍流的计算公式(摘自windfarmer理论手册) Iadd = 5.7Ct0.7Iamb0.68(x/x n)-0.96 Ct:thrust coefficient x: the distance downstream x n：the calculated length of the near wake（using the method proposed in [3.9, 3.10]）风速标准偏差的标准偏差值可以有MCP+模块计算，并在WTI文件当中输出

光的折射现象及应用

一、选择题 1、（2012?莆田）蓝天上飘着白云，平静清澈的池塘中鱼在自由游动．人向池塘中看去，好像鱼在白云中游动．关于人观察到的鱼和白云，下列说法正确的是（） A．鱼是实物，白云是光的反射形成的虚像 B．鱼是实物，白云是光折射形成的虚像 C．鱼是光反射形成的虚像，白云是光折射形成的虚像 D．鱼是光折射形成的虚像，白云是光反射形成的虚像 2、如图所示，画中的人出现了错误的判断．以下四幅光路中，能正确说明产生这一现象的原因的是（） A．B．C．D． 2、如图所示的是光从水中斜射入空气中时入射光的光路情况，请在适当位置画出该入射光线对应的折射光线．由于光的折射现象，我们洗脸时，看盆内的水深比实际水深要浅（选填“深”或“浅”）一些． 3、光在水中的传播速度为空气中传播速度的3/4，光在玻璃中的传播速度为空气中传播速度的2/3，当光从空气中斜射入水中时，折射光线偏向法线；当光线从空气中斜射入玻璃中时，折射光线也偏向法线．你认为，当光线从水中斜射入玻璃中时，折射光线会偏向（选填“偏离”或“偏向”）法线．你猜想的理由是当光从传播速度大的介质斜射进入传播速度小的介质中时折射光线偏向法线 4、在下面所示的四个情景中，属于光的折射现象的是（） A．铅笔好像断了 B．水中倒影

C．小孔成像 D．小红照镜子下列说法正确的是（） A．岸边景物在水中的倒影是光的折射形成的 B．雨后彩虹是由光的反射形成的 C．电影幕布选用粗糙布料，目的是让光发生漫反射 D．电影幕布选用粗糙布料，目的是让光发生镜面反射作图题如图所示点光源A发出的一条光线从空气斜射到空气和水的分界面上，在图中准确画出反射光线和大致画出折射光线的传播方向．实验探究题（2006?烟台）海市蜃楼和海滋同现蓬莱 5月7日在我市蓬莱海域上空出现了极为罕见的海市蜃楼和海滋奇观．两种幻景同现为历史首次，约有10万市民和游客有幸目睹了这一奇观．由于不明白产生这种奇观的科学原因，古人认为是蜃（蛟龙）所吐之气形成的．实际上，海市蜃楼和海滋都是光学现象，只不过前者是来之万里之外的异地景色，而后者多是本地景色．我们知道，通常情况下，空气的密度随高度的增加而减小．当光线穿过不同高度的空气层时，会引起折射现象，但这种折射在我们日常生活中已经习惯了，所以不觉得有什么异常，可是当空气层温度变化发生反常时，由于空气是热的不良导体，温度的显著变化会引起空气层密度发生显著差异，从而导致与通常不同的折射和全反射，这就会产生海市蜃楼．空气密度差异情况不同，海市蜃楼的形式也不同，最常见的为上现蜃景和下现蜃景．无论哪种蜃景都出现在炎热无风的天气，如果大风刮起，这些景色就会消失的无影无踪．阅读上文，回答下列问题：（1）概括指出海市蜃楼是一种什么光学现象；（2）文中提到“空气密度差异情况不同，海市蜃楼的形式也不同”．请你选择文中两种形式中的一种来说明空气密度的变化情况及原因．解：（1）由短文可知：海市蜃楼是光的折射和全反射现象（2）空气密度差异情况不同，海市蜃楼的形式也不同：

大气湍流N-S方程

前面复习
什么是湍流？湍流与层流有什么区别？雷诺数Re的表达式和物理意义？湍流有哪些理论？流体运动的稳定性指的是什么？处理流体运动的稳定性问题时，什么是小扰动法和能量法？

流体力学和N-S方程
流体力学是力学的一个分支，它是研究流体 ( 包括液体及气体 ) 这样一个连续介质的宏观运动规律以及它与其他运动形态之间的相互作用。通常所说的流体力学就是指建立在连续介质假设基础上的流体力学。连续介质假设认为真实流体所占有的空间可近似地看做是由“流体质点”连续无空隙地充满着的。所谓流体质点指的是微观上充分大，宏观上充分小的分子团．

流体运动的描述
欧拉方法着眼于流场空间的固定点，拉格朗日着眼于确定的流体质点。两种方法可以互换。
K qi = qi (r , t )
qi = qi (ξ , t )

物理量的物质导数和当地导数
在欧拉方法的表达式中，专门引进了一个运算符号d/dt，它表示某确定流体质点的物理量随时间的变化率，称为该物理量的物质导数；同时，将欧拉表述下物理量函数对时间的偏导数，即空间固定点上物理量的时间变化率，称为当地导数，记作э/эt。
dq ?q K = + (v ? ? ) q dt ?t

M 1m/s M 2m/s
M’ 2m/s (t=0) M’ 3m/s (t=1s)

应力张量
流体质点所受的力需要用二阶张量来描述，σji。在通过某点并具有任意方向n的面元上，应力矢量 T(n) 为二阶张量和该面元的法向单位矢n唯一确定。
K Ti (n ) = σ ji n j

定义湍流参数

FLUENT6.1全攻略 6 定压强跳跃、流动方向、环境总压和总温。（9）出口通风条件：在出口处给定损失系数、流动方向、环境总压和总温。（10）排气风扇条件：在假设出口处存在排气风扇的情况下，给定出口处的压强跳跃和静压。 8.2.2 定义湍流参数在流场的入口、出口和远场边界上，用户需要定义流场的湍流参数。在FLUENT 中可以使用的湍流模型有很多种。在使用各种湍流模型时，哪些变量需要设定，哪些不需要设定以及如何给定这些变量的具体数值，都是经常困扰用户的问题。本小节只讨论在边界上设置均匀湍流参数的方法，湍流参数在边界上不是均匀分布的情况可以用型函数和UDF （用户自定义函数）来定义，具体方法请参见相关章节的叙述。在大多数情况下，湍流是在入口后面一段距离经过转捩形成的，因此在边界上设置均匀湍流条件是一种可以接受的选择。特别是在不知道湍流参量的分布规律时，在边界上采用均匀湍流条件可以简化模型的设置。在设置边界条件时，首先应该定性地对流动进行分析，以便边界条件的设置不违背物理规律。违背物理规律的参数设置往往导致错误的计算结果，甚至使计算发散而无法进行下去。在Turbulence Specification Method （湍流定义方法）下拉列表中，可以简单地用一个常数来定义湍流参数，即通过给定湍流强度、湍流粘度比、水力直径或湍流特征长在边界上的值来定义流场边界上的湍流。下面具体讨论这些湍流参数的含义，以保证在设置模型时不出现违背流动规律的错误设置：（1）湍流强度（Turbulence Intensity ）湍流强度I 的定义如下： avg u w v u I 2 22'''++= （8－1）上式中'u 、'v 和'w 是速度脉动量，avg u 是平均速度。湍流强度小于1％时，可以认为湍流强度是比较低的，而在湍流强度大于10％时，则可以认为湍流强度是比较高的。在来流为层流时，湍流强度可以用绕流物体的几何特征粗略地估算出来。比如在模拟风洞试验的计算中，自由流的湍流强度可以用风洞的特征长度估计出来。在现代的低湍流度风洞中，自由流的湍流强度通常低于0.05%。内流问题进口处的湍流强度取决于上游流动状态。如果上游是没有充分发展的未受扰流动，则进口处可以使用低湍流强度。如果上游是充分发展的湍流，则进口处湍流强度可以达到几个百分点。如果管道中的流动是充分发展的湍流，则湍流强度可以用公式（8－2）计算得到，这个公式是从管流经验公式得到的：

大气湍流的复原

大气湍流的复原研究背景与意义 21 世纪以来，美国、欧空局、俄罗斯等空间科技强国都相继提出了新的空间发展规划。特别的，美国自特朗普上台后提出太空政策，加大对太空探索的投资力度，并积极开展多个民用太空项目。根据我国至2030 年空间科学发展规划，我国将建立以覆盖多个热点领域的空间科学卫星为标志的空间科学体系[1]，通过发展系列空间科学计划，牵引和带动我国在空间目标识别与监视、深空测绘乃至其他重要科技领域的创新与突破，推动我国高科技产业的跨越式发展。而对空间目标的姿态、形状、特征以及太空星体表面的地形地貌进行高精度识别与判读，都需要采用光学成像系统对其观测与监视，从而获取足够数量的影像资料，从这些影像资料中提取使用者所期望的感兴趣信息。由于地面受到太阳辐射作用，造成大气中分子和由悬浮粒子构成的离散混合介质的不规则热运动，使得大气呈现出非稳态性和随机性，这种现象称之为大气湍流现象。当光波穿过空间大气层时，由于大气中湍流介质中各处的压强、温度、湿度以及物理特性的随机变化，使得射出湍流介质的波阵面不再保持平面特性。因此，光学成像系统中的传感器透过大气对目标物或场景进行观测时，由于近地面的大气湍流强度在空间和时间上分布的差异，造成湍流介质内的空气折射率的随机涨落。这会导致光波到达像面的振幅和相位的随机起伏，从而导致光束扩散、波面畸变、像点漂移等现象[2][3]，使得目标在成像设备上会产生严重的模糊和降质。大气对成像系统的影响主要包括：1）空间对地高分辨率遥感观测中，卫星或航天飞机对地面目标进行跟踪和监视。2）在地基成像观测系统中，自适应光学望远镜对卫星、行星以及其他宇宙天体进行识别与探测。3）在高速飞行器成像制导系统中，使用激光器对目标实施打击的过程（如图1.1 所示）。由于大气湍流的干扰，飞行器上发射的激光束产生随机扩散与畸变，严重减弱了激光器的打击精度，因此有效的减弱大气湍流的影响，避免激光器的能量扩散和路径偏移是十分必要的。（a）美国战略导弹防御系统机（b）激光器打击导弹（c）理想情况下激光束的能量分布（d）受大气湍流干扰的激光束能量分布图1.1 美国战略导弹防御机系统在地基空间目标观测过程中，大气湍流扰动的存在，使得光学望远镜的分辨率不再由其理论衍射极限来决定，而取决于其大气相干长度。当光学系统对受到大气湍流干扰的光波进行成像时，其分辨率不会超过口径为0r 的光学系统衍射极限分辨率，其中0r 就是大气相干长度的大小[4]。0r 值越大，表示大气整体湍流强度越小。如果口径数米乃至数十米的光学望远镜在没有自适应补偿系统的条件下，通过空间大气层对近地卫星、行星或其他星体进行观测成像时，由于受到大气湍流的影响，其成像分辨率不会超过口径为分米级小型望远镜[5]，且获取的图像会出现模糊与抖动，这严重降低了观测图像的研究价值。针对大气湍流的扰动问题，目前研究人员提出了两种解决方案：1）发射太空望远镜（如美国哈勃望远镜、康普顿望远镜）。但是太空望远镜不仅造价和发射耗资巨大，而且出现故障不易检测和维护。望远镜如果没有补偿措施，在太空中会受到太空低温、失重环境导致镜面畸变，同样会观测图像出现模糊和降质。2）采用自适应光学补偿系统和波后复原技术。首先通过自适应光学系统对光波波前畸变进行实时补偿和校正，其后基于数字图像处理技术对目标受抑制的中高频信息进行恢复和重建，最终获得目标的高清晰图像。在遥感对地观测领域，由于大气湍流干扰、卫星平台的不稳定振动、传感器与被拍摄目标之间的相对运动、光学成像系统的离焦和散焦等因素，再加上传感器在数据传输、扫描成像时引入的噪声，都会导致遥感图像的降质和退化。然而研究人员希望获取纹理和边缘清晰、易

第三节大气中污染物的转化

第三节大气中污染物的转化污染物的转化：A无毒化合物B毒性更大的二次污染物一、光化学反应基础 1、光化学反应过程什么是光化学反应？初级过程： A + hνA* 次级过程举例： HCl + hνH + Cl H + HCl H2 + Cl Cl + Cl Cl2 2、量子产率（不做介绍） 3、大气中重要吸光物质的光离解（1）氧分子和氮分子的光离解 O2 + hνO + O N2 + hνN + N （2）臭氧的光离解 O3 + hνO + O2 （3）NO2的光离解 NO2 + hν N O + O （4）亚硝酸和硝酸的光离解 HNO2 + hνHO + NO HNO2 + hνH + NO2

HNO3 + hνHO + NO2 （5）二氧化硫对光的吸收 SO2 + hνSO2* （6）甲醛的光离解 H2CO + hνH + HCO H2CO + hνH2 + CO （7）卤代烃的光离解 CH3X + hνCH3 + X 二、大气中重要自由基的来源 1、大气中HO和HO2自由基的浓度 2、大气中HO和HO2自由基的来源 HO来源一：O3 + hνO + O2 O + H2O 2HO HO来源二： HNO2 + hνHO + NO H2O2 + hν2HO HO2的来源： H2CO + hνH + HCO H + O2 + M HO2 + M HCO + O2HO2 + CO 五、氮氧化物的转化教学目的与要求： (1)掌握大气中氮氧化合物的光化学反应； (2)掌握大气中碳氢化合物的光化学反应； (3)了解大气中氮氧化合物和碳氢化合物的来源。教学重点、难点： a)掌握大气中氮氧化合物的光化学反应；

第二章光在湍流大气中传输的理论概述

2.1 大气折射率在光学频率范围内，对流层（高度<17km）中的地球大气的空气折射率表示如下： n=1+77.6（1+7.52×10-3λ-2）（p/T）×10-6 （2.1）式中，p是以mbar为单位的大气气压，T是热力学温度，λ是以μm为单位的光波波长，由于地面上温度对n 1 （r）的贡献＜1%，故（2.1）式中忽略了与水汽压相关的项，当然这一项对水上传播光路是不可忽略的。 2. 2 大气湍流描述自然界中的流体运动存在着二种不同的形式：一种是层流，看上去平顺、清晰，没有掺混现象；另一种是湍流，看上去毫无规则，显得杂乱无章。例如，如果流体以一定的速度流过一个管子，我们可以用带颜色的染料对它进行观察，在流体速度低的时候，流线光滑面清晰，流体处于层流状态；不断增加流体速度，当流速达到一定值时，流线就不再是光滑的了，整个流体开始作不规则的随机运动，流体处于湍流状态。自从1883 年Reynolds 做了著名的湍流实验以来，以Monin-Obukhov 提出的相似理论、Deardorff 提出的大涡模拟、美国Kansas 州观测实验等为代表，大气湍流的研究已经取得了很大的进展和丰硕的成果，并在天气、气候研究和工程实际中获得成功地应用。湍流对大气中声、光和其它电磁波的传播具有极为重要的影响，例如湍流风速、温度和湿度的脉动都会引起声音散射和减弱，大气小尺度光折射率的起伏(称为光学湍流)，会严重影响光的传播和光学成像的质量等等。长期以来，以Tatarskii 的工作为代表，声光电传播的湍流效应大都是按照Kolmogorov 的均匀、平稳和各向同性假设处理的，而实际的湍流经常不满足这些假设，要建立更加完善的波动传播模型就必须考虑湍流的各向异性、以及间歇性的影响。 2. 3 折射率湍流模型在湍流大气中，折射率在不同地点、不同时刻都是变化的。一方面，我们还不可能对这些变化作出预测；另一方面，即使已知这些变化，要对所有时刻、所有地点的值作出描述实际上也是不可能的。因此，有必要用统计方法来描述这种介质。考虑到湍流大气的折射率是随空间、时间和波长而变化的，因此可用空间、时间和波长的随机函数来描述湍流大气折射率 n(r,t,λ ) = n 0(r,t,λ ) + n 1 (r,t,λ ) (2. 3.1) 在(2.3.1)式中，n 0是n的确定性部分，对湍流大气而言，可近似地取n ≈1 ,n 1 （r,t,λ）表示n(r,t,λ )围绕平均值E[n] = n ≈1的随机涨落。大气湍流可以用Kolmogorov 理论描述。大气中大的漩涡的能量被重新分配，随着能量损失，大的湍流的尺寸减小, 直到消散。n 1 的结构函数定义为

第四章光在湍流大气中的传输时光强起伏分析

4.1 光强起伏（光闪烁）的定义及基本描述光强起伏（光闪烁）是大气湍流导致的最常见且最明显的光传输效应之一，激光在湍流大气中传输时其光强随时间变化而产生随机起伏的现象被称作为光强起伏（光闪烁），其原因是大气折射率起伏在导致传输激光相位变化的同时，也导致了传输激光的振幅起伏，进而产生散射强度起伏现象，更进一步的原因可认为是由同一光源发出的通过略微不同路径的光线之间的随机干涉所造成。经典理论认为：光闪烁由尺寸比光束直径小的大气湍流引起，它与湍流的内尺度、外尺度、结构常数及传输距离等因素有关，其幅度特性由接受平面上光强的对数强度方差σI2来表征： σI2=I2?I2 I2 （4.1）光束在湍流大气中传输时，对数振幅满足正态分布，振幅对数满足χ定义为：χ≡ln（A/A0），其中，A为在湍流中传播时实际的光波振幅，A0为未经过湍流扰动的振幅。设一对数正态分布为高斯随机变量（对数正态分布密度函数具有三个相对读了的参数：χ、σx、I0），其中对数振幅χ的均值为χ，标准偏差为σx，则其概率密度分布函数为： pχΧ= 2πσ ?χ?χ2 σχ （4.2）其振幅A=A0 expχ。引入概率变换： p A A=pχΧ=ln A dχ dA ,dχ dA =1 A （4.3）则振幅的概率密度函数为： p A A= 2πσA exp ?1 2σχ2 ln A A0 ?χ 2 ，A≥0（4.4）闪烁起伏概率分布满足对数正态分布的物理意义是：光场u=u0expχ+jsδ中χ是大量独立前向散射元的和，由中心极限定理可知χ服从正态分布。 4.2 光强闪烁的日变化大气的湍流运动导致信道上折射率的不均匀起伏，引起光强起伏，表征光强起伏强弱程度的主要特征量是对数光强起伏方差。它的定义： σln I2=ln I I0?ln I I02（4.5）其中ln I为瞬时光强的对数值：ln I为平均光强的对数值。在较好的天气下，光强起伏值从太阳出来后开始上升，到中午达到最强，视观察距离的不同起伏值也不同，如果距离很长，起伏值趋于一条直线，达到“饱和”。在这期间，视各地

湍流边界条件参数的设置

2011-8-30蓝色流体|流体专业论坛专注流体 - Pow… 标题: [fluent相关]湍流边界条件参数的设置作者: ifluid 时间: 2009-4-14 15:02 标题: 湍流边界条件参数的设置在流场的入口、出口和远场边界上，用户需要定义流场的湍流参数。在FLUENT 中可以使用的湍流模型有很多种。在使用各种湍流模型时，哪些变量需要设定，哪些不需要设定以及如何给定这些变量的具体数值，都是经常困扰用户的问题。本小节只讨论在边界上设置均匀湍流参数的方法，湍流参数在边界上不是均匀分布的情况可以用型函数和UDF（用户自定义函数）来定义，具体方法请参见相关章节的叙述。在大多数情况下，湍流是在入口后面一段距离经过转捩形成的，因此在边界上设置均匀湍流条件是一种可以接受的选择。特别是在不知道湍流参量的分布规律时，在边界上采用均匀湍流条件可以简化模型的设置。在设置边界条件时，首先应该定性地对流动进行分析，以便边界条件的设置不违背物理规律。违背物理规律的参数设置往往导致错误的计算结果，甚至使计算发散而无法进行下去。在 Turbulence Specification Method （湍流定义方法）下拉列表中，可以简单地用一个常数来定义湍流参数，即通过给定湍流强度、湍流粘度比、水力直径或湍流特征长在边界上的值来定义流场边界上的湍流。下面具体讨论这些湍流参数的含义，以保证在设置模型时不出现违背流动规律的错误设置：（1）湍流强度（Turbulence Intensity）湍流强度I的定义为： I=Sqrt(u’*u’+v’*v’+w’*w’)/u_avg 上式中u',v' 和w' 是速度脉动量，u_av g是平均速度。湍流强度小于1％时，可以认为湍流强度是比较低的，而在湍流强度大于10％时，则可以认为湍流强度是比较高的。在来流为层流时，湍流强度可以用绕流物体的几何特征粗略地估算出来。比如在模拟风洞试验的计算中，自由流的湍流强度可以用风洞的特征长度估计出来。在现代的低湍流度风洞中，自由流的湍流强度通常低于0.05%。内流问题进口处的湍流强度取决于上游流动状态。如果上游是没有充分发展的未受扰流动，则进口处可以使用低湍流强度。如果上游是充分发展的湍流，则进口处湍流强度可以达到几个百分点。如果管道中的流动是充分发展的湍流，则湍流强度可以用公式(8-2)计算得到，这个公式是从管流经验公式得到的： I=u’/u_avg=0.16*Re_DH^-0.125 其中Re_DH是Hy draulic Diameter（水力直径）的意思，即式(8-2)中的雷诺数是以水力直径为特征长度求出的。（2）湍流的长度尺度与水力直径湍流能量主要集中在大涡结构中，而湍流长度尺度l则是与大涡结构相关的物理量。在充分发展的管流中，因为漩涡尺度不可能大于管道直径，所以l 是受到管道尺寸制约的几何量。湍流长度尺度l 与管道物理尺寸L关系可以表示为： l = 0.07L 式中的比例因子0.07是充分发展管流中混合长的最大值，而L则是管道直径。在管道截面不是圆形时，L可以取为管道的水力直径。

描写光学现象的成语、诗句

中国的古诗词、成语和俗语中蕴含着丰富的物理知识,在此我们共同了解古诗词、成语和俗语中的光学知识,以加深对光现象的理解. 一、光沿直线传播 1．坐井观天解析：在井底的青蛙看到的天空很小,是由于光的直线传播造成的. 2．立竿见影解析：在阳光下竖起竹竿,立刻就看到影子,正是由于光沿直线传播,竹竿挡住光线才形成影子. 3．一叶障目,不见泰山. 解析：一片树叶挡住了眼睛,连面前高大的泰山都看不见.运用的就是光沿直线传播的知识. 4．绿树浓阴夏日长,楼台倒影入池塘.（出自晚唐诗人高骈的《山亭夏日》）解析：诗句中“浓阴”的形成说明了光的直线传播；而“楼台倒影”则是光的反射形成的虚像. 5．峰多巧障日,江远欲浮天.（出自宋代苏轼的《游蒋山》）解析：“峰多巧障日”为什么太阳光会被山峰挡住,光的直线传播造成的. 6．排云数峰出,漏日半江明.（出自宋代杨万里的《泊樟镇》）解析：诗句大意是,为什么要推开山腰的浮云,才能看到峰顶,阳光只能从云缝中穿出照亮江面.都利用了光沿直线传播. 二、光的反射 1．镜花水月解析：物体在水和镜中成的像都是虚像,因此说在水中捞不到月亮,在镜中摘不到花. 2．猪八戒照镜子,里外不是人. 解析：根据平面镜成像的规律,平面镜所成的像与物体大小相等,物像对称,因此猪八戒看到的像和自己一模一样,仍然是个猪像,自然就“里外不是人了”. 3．玉不琢不成器解析：玉石没有研磨之前,其表面凸凹不平,光线发生漫反射,玉石研磨以后,其表面平滑,光线发生镜面反射. 4．举杯邀明月,对影成三人.（出自唐代李白的《月下独酌》）解析：“举杯邀明月”说明月亮在酒杯中形成一个虚像,涉及平面镜成像. 5．宝钗好耀首,明镜可鉴形.（出自汉代秦嘉的《赠妇》）解析：“宝钗好耀首”说明通过珠宝首饰的反射后的光线进入人眼中,显得格外耀眼；“明镜可鉴形”利用了平面镜成像知识. 6．掬水月在手,弄花香满衣.（出自《春山夜月》）解析：“掬水月在手”水中为什么会有月亮,涉及到的物理知识是平面镜成像. 7．皓月千里,浮光跃金,静影沉璧（出自宋代范仲淹的《岳阳楼记》）解析：“皓月”是因为反射了太阳光,月亮本身不发光；“浮光跃金”指太阳光被水面反射了,看上去湖面泛起金光；“静影沉璧”是反射形成的虚像. 8．野旷天低树,江清月近人.（出自唐代孟浩然的《宿建德江》）解析；“江清月近人”是指月亮在水中形成一个虚像,作者感觉与月亮虚像的距离很近.其实不符合科学道理的,因为平面镜成像特点是物像到镜面的距离相等,故并没有“近人” . 三、光的折射 1．海市蜃楼