Study on cloud turbulent mixing and cloud microphysical processes by large scale numerical simulation

云湍流混合与云微物理过程的大规模数值模拟研究

基本信息

批准号：
20H00225
负责人：
後藤俊幸
金额：
$ 28.7万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H00225/
关键词：
雲乱流エアロゾル雲粒子揺らぎ過飽和度エネルギ散逸率エンストロフィー確率密度関数雲マイクロ物理雲粒子成長大規模シミュレーション雲水混合率揺らぎ分散スペクトルダムケラ数ランジュバンモデル混合輸送大規模数値計算

项目摘要

雲粒子生成の核となるエアロゾルの乱流輸送、雲粒子成長の源である過飽和度の乱流混合輸送、そして乱流の特性を表す最も重要な特性量であるエネルギー散逸率とエンストロフィー（渦度の2乗）の揺らぎを表す確率分布関数(PDF)について、理論および大規模シミュレーションを駆使した解析を行った。エアロゾルは、分子拡散が無視できるシュミット数無限大のスカラーとみなせる。このエアロゾルの空間揺らぎのスペクトルを数値的にシミュレーションすることには大きな困難を伴う。無限小サイズの流体粒子に仮想的なスカラー量を担わせるとともに、それが固有の特性時間でもって周囲の環境に応答するという数値モデルを導入し、これによって高レイノルズ数乱流により輸送される無限大シュミット数のスカラー分散スペクトルを計算することに成功し、乱流理論と一致する結果を得、さらにスペクトル強度を決めるバチェラー定数をも得た。　一方、エアロゾル周囲の過飽和度は、エアロゾルの数密度に依存する特性時間でもってその揺らぎの振幅が変動する。この過飽和度揺らぎのスペクトルには2つのk^{-5/3}領域が存在することが昨年度までの理論研究により示されていたが、大規模シミュレーションにより、理論と一致する2つのべき的スペクトルの存在を得ることに成功した。乱流におけるエンストロフィーのPDFのすそ野はエネルギー散逸率のそれよりも常に長い。これは長い間謎とされてきた。理論的解析および多数の大規模シミュレーションを駆使することにより、２つのPDFがレイノルズ数とともにそのすそ野を広げてゆくこと、両PDFが引き延ばされたガンマ分布であること、そしてすそ野の長さの違いは、エネルギー散逸率とエンストロフィーの定義式における項の数の違いから生ずるものであることを理論的に示し、大規模シミュレーションでも確認され理論の正当性を確認した。

气溶胶的湍流输运是云粒子生成的核心，过饱和的湍流混合输运是云粒子生长的源泉，能量耗散率和熵（涡）是表达湍流特征的最重要的特征量。使用表达功率波动（平方度）的概率分布函数 (PDF) 的理论和大规模模拟。气溶胶可以被视为具有无限施密特数的标量，其中分子扩散可以忽略不计。对气溶胶这种空间波动的频谱进行数值模拟是非常困难的。我们引入了一种无限小流体粒子携带虚拟标量并以独特的特征时间响应周围环境的数值模型，成功地计算了大施密特数的标量色散谱，得到了与湍流理论一致的结果。获得了决定光谱强度的巴彻勒常数。另一方面，气溶胶周围的过饱和度的幅度随特征时间波动，该特征时间取决于气溶胶的数密度。直到去年的理论研究表明，这种过饱和涨落的频谱中有两个k^{-5/3}区域，但大规模模拟表明，有两个功率谱与理论一致。获得存在的湍流中熵的 PDF 的底总是比能量耗散率的底长。长期以来，这一直是个谜。通过充分利用理论分析和大量的大规模模拟，我们发现两个PDF的底都随着雷诺数的增加而变宽，两个PDF都是拉长的伽玛分布，并且两个PDF的底长度都被拉长。理论上表明，这种差异是由于定义能量耗散率和熵的方程中的项数不同造成的，并通过大规模模拟证实了这一点，证实了该理论的有效性。