南京大学 地球物理流体力学学生实验室

Student Geophysical Fluid Dynamics Lab

 

 

发展历程(2017年3月更新)

流体实验室起源于2012年,是南京大学本科生最初在国家创新训练计划的资助下,为帮助自己学习理论知识而建立的。在大气学院本科教学经费、中尺度实验室建设经费和周博闻老师启动经费等项目的共同资助下,实验室发展壮大,为几届本科生提供了实验平台,为多门课程教学做出贡献。在王元老师、周博闻老师和宋金杰老师的大力支持下,一直延续至今。

2012年11月 ,傅豪,浦云娇,赵通(天文系)选了物理学院的“演示物理”公选课,想做一次流体实验当作课程报告。在物理学院潘永华、高惠滨老师的指导下,我们用酒精灯加热一个放有热水的大烧杯,熏蒸上面一个装有工作流体的小烧杯,出现了整个水槽尺度的“环流”-后来发现是加热不均导致的。当时讲授“行星上的风暴”的王元老师得知后,鼓励我们继续深入研究。

图1. 烧杯对流实验装置,以及用纸屑示踪看到的环流

                     
2013年5月,傅豪、冯志明、浦云娇、刘明睿申报创新计划,王元老师和龚国斌老师指导,并设计了转盘的概念图。

图2.a 转盘设计草图

图2.b 创新计划小组赴中科院大气物理研究所调研

                               
2013年7月初,创新小组以及对实验很感兴趣的李源慧同学一起来大气所实习取经三日,我们给转盘拍了无数张照片,冯老师还热情地指导我们做了几组实验,学习用PIV软件反演速度场。大家还忙里偷闲游了颐和园。

2013年7月-8月,我们穿梭于莫愁路、华龙、尧化门的五金电子商店和工厂,与工程师、老板打交道,研制出了大转盘。浦云娇完成了基于长曝光的PIV试验。“实践锻炼人啊!”

图3-图4. 转盘搭建过程以及旋转绕流实验第一次完成

 

图5. 周正加工厂的大转盘完工,运回南大组装

2013年10月,浦云娇搞定了基于视频分帧处理的NJU第一代PIV。地形绕流实验没有更多进展。第一次通宵实验,但仍以失败告终。无论如何不如第一次实验拍得好。

2013年11月,冯志明、傅豪、刘明睿、浦云娇和李源慧仪器去东南大学参加“江苏省高校第十届大学生物理及实验科技作品创新竞赛”获一等奖,振奋人心。

2013年12月,目标转向热对流实验,孙世玮热心支持,再次通宵实验,PIV首次投入使用。不久后完成第一篇实验论文-初探水槽热对流。

图6. 热对流实验装置和用PIV速度场画出的流线图

2014年2月,显式差分格式的涡量-速度法数值模拟程序完成,能模拟出低层气旋性辐合、高层反气旋性辐散的涡旋。取名为FFLP,据四位成员姓氏拼音首字母。虽然几年后回看,这个模式漏洞百出,但却是当时敢想敢干精神的写照。

图7. 数值模拟出的旋转对流剖面速度场,看起来像台风。

            
2014年3月,改装后小转盘第一次安全顺畅地起转,拍摄到了涡旋群的爆发。

图8. 热对流实验水槽,以及拍摄到的对流爆发前的环状结构和爆发后的涡旋群

  2014年4月-5月,整理清明节假期做的实验数据,投稿基础学科论坛,获数理类一等奖。为PIV增加了友好的操作界面。向学院领导正式提交额筹备流体实验室的策划书。2014年6月:开发大转盘,设计了自动滴墨装置并购买了wifi摄像机(至今仍在使用)。

2014年9月,大小转盘、物理学院陈思等的“尘卷风模拟台”、蒋心怡等的“泥石流演示仪”、杜蒙川的“特斯拉线圈”从基础实验楼用卡车运至气象楼A110。“泥石流演示仪”后来被改装成水槽。

图9. 实验仪器从物理实验教学中心运至大气学院新院楼

2014年10-11月,学院批准在气象楼建立“学生创新活动中心”,演示实验成功用于“行星上的风暴”课程教学。孙世玮加入热对流实验小组。2014年11月:2013级周昂、卓静仪、王若愚、胡越加入,申请了创新计划,由王元老师和宋金杰老师指导。不久后2012级宫成、陈璐璐、陆静文、冯锡斌开始做卡曼涡街实验,2012级韩轶伦、刘师佐、杨文、黄涵、黄嘉怡、张秋燕加入做Rossby实验,2012级向紫轩、武娜娜、席静在孙鉴泞老师指导下做对流边界层实验。 因教学效果显著,我们的实验仪器被运至成都参展,获全国高等学校自制教具比赛二等奖。

图10. 《行星上的风暴》课程上,同学们在做实验

图11. 左图为武娜娜小组在制作水槽,右图为他们完成的仪器。

              2015年1月,流体实验室十分热闹,全体成员协作进行了多项演示实验的开发。我们参照MIT演示实验,通过在热水中放一个冰桶,再现了斜压不稳定。周昂小组做出的泰勒柱和Ekman抽吸实验视频当年就在《动力气象》课上播放。

图12. 斜压不稳定现象

图13. 泰勒柱现象

图14. Ekman抽吸现象

2015年3月,孙世玮和傅豪组成了本科毕业设计团队,有王元老师和周博闻老师指导。他们研发了扫描粒子图像测速系统和涡量-速度法并行数值模拟软件,前者能对直径6mm的涡旋速度场进行三维测量,尚未见国内外有类似报道。团队获得南大当年唯一的“优秀毕业设计团队”称号。他们研究了对流涡旋垂直涡度与垂直速度的关系,摘要被美国物理学会流体力学年会(APS-DFD)录用,并赴波士顿参会并作报告。这是我们迈入国际舞台的第一步。         

图15.a 实验测量到的三维涡度场

图15.b 数值模拟的热对流温度场

2016年5月,周昂小组在王元老师、宋金杰老师和周博闻老师指导下完成了《旋转平台Rossby波的实验模拟研究》和《基于旋转平台的地球流体动力学机制探究》论文。他们研究了斜底水槽(由韩轶伦设计)中通过突然减速产生的切向气流中的准静止Rossby波,发现波长与平台转速的关系和经典的大气Rossby波线性理论符合很好,证实了转盘中的流体运动和大气运动确有紧密联系。他们还在小型转盘上完成了位涡守恒实验,很好地再现出旋转流体通过盆地和山地时因涡管拉伸收缩产生的气旋和反气旋异常。 他们最后获得南大基础学科论坛二等奖,和南大挑战杯预热赛二等奖。

图16.a 斜坡水槽Rossby准静止波实验

图16.b 静止Rossby波长随转速变化的理论和实验结果对照

图17. 位涡守恒实验现象,红×表示下凹地形。左图为t=16s, 右图为t=18s

2016年6月,韩轶伦在周博闻老师指导下完成了他的本科毕业论文《正压浅水方程的数值模拟》,用模式再现了转盘中一个地形的Rossby波传播过程并与流体实验进行对比,对波动能量频散和径向传播截止现象进行了仔细探究,获南京大学本科毕业论文评选一等奖。

图18. 浅水模式中的地形,以及它激发的Rossby波

2016年7月,2013级的尹婧楠、塞丽、李聪元在袁慧玲老师和周博闻老师指导下,在实验室完成了暑期论文《用实验研究密度流的动力和热力结构》。他们用温度探头阵列和粒子图像测速系统研究了密度流过境的温度陡降现象,密度流移速和引发的上升运动。期间,他们还接待了中学生夏令营营员参观实验室。2014级的施尚永、程永峰、李兆玺、苗兴宇加入实验室,在宋金杰老师指导下进行旋转流体涡旋相互作用实验。

图19.a 粒子示踪的密度流实验现象

图19.b 尹婧楠小组同学为中学生夏令营营员讲解实验

同月,傅豪利用暑假回到南大,在周博闻老师的资助下,与孙世玮和王昱一起设计搭建了新型旋转热对流实验台。他们攻克了平台振动问题,完成了对旋转热对流的长时间连续PIV测量。通过同时测量低层和高层流场,看到了涡旋并合过程的多种高低层流场配置,初步研究成果在2016年11月于波特兰举行的美国物理学会流体力学年会(APS DFD)上做了报告。王元老师安排C512房间为第二间实验室,一部分仪器被搬过去。

图20.a 新型旋转热对流实验台

图20.b 从高低层涡度场看到的涡旋并合个例

2016年10月,2015级的尤飞宇、李亦萌、李丹阳、赖燕红加入实验室,在宋金杰老师指导下开始斜压不稳定的实验探究。

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