南京大学 地球物理流体力学学生实验室

Student Geophysical Fluid Dynamics Lab

 

物理实验

 

》斜压不稳定实验-2018

尤飞宇 李亦萌 李丹阳 赖燕红

斜压波是中高纬度大气运动最显著的特征之一。近几年朱诺号探测器也拍
摄到木星大气波动资料。为了直观理解和探究这种大尺度大气波动,本文采用水槽实验的方法,成功反演得到不同波动特征的斜压波。实验前,先论证了实验模型与Eady 理论模型的相似性,并推导斜压波的理论特征。正式实验中,利用首创的墨水激光法得到清晰波动图像,并将实验结果和理论结果比较分析。最后基于实验结论,尝试回答一些关于木星大气波动的疑问。


》密度流实验-2016

赛丽泰来提 尹婧楠 李聪元

密度流是由于密度相对更大的流体嵌入密度相对小的流体下方而形成的一种异重流,密度流水槽实验可以帮助理解一些中尺度的锋面系统结构,比如雷暴出流和海风锋面,它们都是由于密度较大的冷空气楔入较暖空气下方而形成的重力流。本次实验研究的密度流通过温度的差异来形成。采用的实验手段主要有PIV流场反演和温度探测两种。


》Rossby波实验-2016

周昂 卓静仪 王若瑜 胡越

Rossby波是效应控制下的大尺度地球流体运动体系中的经典波动模型。本文利用旋转平台对Rossby波进行实验模拟,以探究地球中纬度地区大气与海洋Rossby波的形成机制和传播特点。实验中,利用旋转平台模拟地球自转背景,通过改变转速模拟中纬度地区基本气流,并利用斜坡水槽(和平底水槽)模拟地球效应。实验证明水面等效效应与地形等效效应相比可以忽略。在保证动力学相似的前提下,利用控制变量法改变转速和水深,对Rossby波的动力学机制进行验证。最后,本文通过在斜坡水槽底部不同位置设置地形,观察地形扰动对Rossby波生消发展的影响作用。


》综合实验:Ekman抽吸、Taylor柱、位涡守恒-2015

周昂 卓静仪 王若瑜 胡越

实验模拟是理解和探究地球流体动力学的重要手段。在相似原理约束下,地球流体实验能直观而真实地反映地球大气和海洋的基本动力学机制。然而与普通流体不同,地球流体的模拟必须提供旋转背景,即科氏力的作用。因此,本文实验在旋转平台上开展,分别对地球流体中的艾克曼边界层,泰勒柱现象及位涡守恒的动力学机制展开探究,成功模拟出以上现象,并在验证相关理论的基础上进行了进一步探究。

泰勒柱 Ekman抽吸 位涡守恒


》卡曼涡街实验-2014

宫成 陈璐璐 冯锡斌 陆静文

通过实验可以看出,在圆柱后方生成的涡街为两行间隔排列,每一行的涡均按照同一方向旋转,而上下两行涡的旋转方向相反。这与教科书中利用复势推导得到的结果相一致。为了研究不同雷诺数对于涡街产生的影响,通过改变步进电机的输出转数来调节圆柱体的运动速度,进而改变流体的雷诺数。通过多次实验对比发现,雷诺数在100-300左右时涡街最为明显,而雷诺数大于600时涡街便易耗散,出现不稳定的湍流。


》转盘模拟Rossby波-2014

韩轶伦 刘师佐 张秋燕 黄涵 黄嘉怡 杨文

实验的思路就是先将转盘按六圈每分钟的速度旋转一段时间待流体刚性稳定后(与转盘没有相对运动),减慢转盘转速为之前的五分之四,使之出现相对速度,流体在地形β效应的情况下产生波动或者涡旋。


》对流边界层实验-2015

向紫轩 席静 武娜娜

我们用纹影法观察层结流体中的热对流现象。首先配置温度自上而下递减的层结水,模拟大气的层结性。然后底部均匀加热水体,利用平行光照射水槽,在墙面上留下水流涌动的光影。 观察光影的运动,就能看到层结流体产生对流的过程。伴随着温度记录,可以发现对流产生时温度变化特征,探索边界层发展的特点。 精彩实验花絮


》斜压不稳定实验(初次尝试)-2015

傅豪 孙世玮 刘明睿 浦云娇 冯志明

地球大气在两极冷而赤道热,中纬地区存在较大水平温差,结合地球自转的作用,会产生斜压不稳定进而引发一系列天气过程。这种大气中的斜压不稳定可抽象为旋转平台下具有较高水平温度梯度的流体的运动状态,依此我们设计了此仿真实验。


》旋转热对流实验-2014

傅豪 浦云娇 刘明睿 冯志明

利用自制的旋转热对流平台,模拟垂直温差强迫和地球自转影响下大气流体运动特点。通过对工作流体底部均匀加热、上部均匀冷却,观察其在旋转的情况下的运动状况,并同步采集温度、速度、流场形态信息,分析了一次对流演化的完整过程。


数值模拟

》正压涡度方程并行谱模式-2017

傅豪

正压涡度方程是假想的二维流体运动的控制方程,也是描述受旋转强烈约束的大气海洋大尺度运动的基本方程组。本文采用谱变换方法将方程组在波数空间上截断进行数值求解。模式在可在直角坐标和球坐标上灵活切换,分别采用Fourier级数和球谐函数做展开,支持MPI并行计算。本文利用模式进行了f平面和二维beta平面上的二维湍流模拟,对其物理机制进行了详细探讨。


》正压浅水方程的数值模拟-2016

韩轶伦

Rossby波是旋转球面上流体的一种基本波动,其理论对于气象和海洋学研究都有着重要的意义。地形beta效应是实验中模拟行星Rossby波的可行方案。本文通过正压浅水方程组建立相应的二维极坐标数值模式,对于地形扰动所生成的地形Rossby波动进行模拟,与流体力学实验结果进行对照。之后对比地形Rossby波与相对应的行星Rossby波,探究其中的物理特征。


Boussinesq方程组并行数值模式-2015

傅豪

Boussinesq近似是不可压Navier-Stokes方程在考虑密度受温度微弱影响时的一种近似,是大气海洋浅对流运动的理想近似。本文采用方程组的涡度-速度形式,用有限体积法在正交曲线坐标系下离散。涡度反演速度的泊松方程采用多重网格法加速,整个模式采用MPI并行计算,可在超级计算机上高效运行。针对旋转热对流问题,与流体实验结果进行了比较。