大涡模拟技术在航空湍流研究中的应用.pdf

文章编号：0258-1825(2023)08-0026-18大涡模拟技术在航空湍流研究中的应用宋君强1，白皓坤1，程彬1，张宁2，*，张卫民1，*，冷洪泽1，赵文静1，张泽1(1.国防科技大学气象海洋学院，长沙410073；2.南京大学大气科学学院，南京210023)摘要：航空湍流是威胁飞行安全的重要因素，它的形成机制复杂，一直是航空气象研究中的重点难点问题之一。近年来，随着大涡模拟（largeeddysimulation，LES）技术的发展，LES 已经成为研究航空湍流问题的重要方法。本文围绕在飞机起降阶段的飞机尾涡和低空湍流以及巡航阶段的对流湍流、山地波湍流和晴空湍流这五类航空湍流对飞机颠簸造成的影响，综述了 LES 技术在相关方向的研究进展，并对 LES 技术应用中亟需解决的问题及未来的重点研究方向进行了总结与展望。整体来看，航空湍流的 LES 模拟研究已经取得较大进展，高分辨率的 LES 可以更加明确航空湍流的来源和生命周期，显著提升了对航空湍流的机制认知和诊断预警能力。但在机制方面，对各种复杂湍流过程的相互影响机制仍然不够清楚；在数值模式技术方面，LES 模拟与模式初始状态、边界条件和模式参数化方案的敏感性问题仍然有待解决。未来，LES 与中尺度区域模式变网格嵌套技术、动态网格技术、集合预报与概率预报技术的发展，以及与深度学习等方法的结合都将进一步有效提升 LES 在航空湍流模拟方面的计算效率和预报能力。关键词：大涡模拟；飞机尾涡；低空湍流；对流湍流；山地波湍流；晴空湍流中图分类号：P429;P435+.1;P456.7;V328.1文献标识码：Adoi：10.7638/kqdlxxb-2023.0104A review of large eddy simulation of aviation turbulenceSONGJunqiang1，BAIHaokun1，CHENGBin1，ZHANGNing2，*，ZHANGWeimin1，*，LENGHongze1，ZHAOWenjing1，ZHANGZe1(1.College of Meteorology and Oceanography,National University of Defense Technology,Changsha410073,China；2.School of Atmospheric Science,Nanjing University,Nanjing210023,China)Abstract:Aviationturbulenceisanessentialfactorthreateningflightsafety.However,duetoitscomplexmechanism,whichstudyhasbeenoneofthekeyissuesfacedbytheaviationindustry.Inrecentyears,withthedevelopmentoflargeeddynumericalsimulation(LES),whichhasbecomeanimportantmethodtosolveaviationturbulence problems.This study reviews the research progress of LES technology in the past few decades,focusingontheimpactofaircrafttrailingvortexwakesandlow-levelturbulenceduringthetakeoffandlandingphase,aswellasconvectiveinducedturbulence,mountainwaveturbulence,andclearairturbulenceduringthecruisephaseonaircraftturbulence.ItalsosummarizesandprospectstheurgentproblemstobesolvedintheapplicationofLEStechnologyandfuturekeyresearchdirections.Overall,LESsimulationresearchonaviationturbulencehasgotmuchachievement,whichcanclarifythesourceandlifecycleofaviationturbulencemoreclearly,significantly improving the mechanism cognition,quantitative diagnosis,prediction and warning收稿日期：2023-07-04；修订日期：2023-08-10；录用日期：2023-08-17；网络出版时间：2023-08-25基金项目：国家重点研发计划（2021YFC3101500，2022YFB3207304）作者简介：宋君强（1962），男，研究员，研究方向：大气数值模拟与高性能计算.E-mail：；白皓坤（1994），男，陕西西安人，助理研究员，研究方向：大气数值模拟.E-mail：通信作者：张宁*（1977），男，山东昌乐人，教授，研究方向：大气边界层与大气湍流.E-mail：张卫民*（1966），男，研究员，研究方向：大气数值模拟与卫星资料同化.E-mail：引用格式:宋君强,白皓坤,程彬,等.大涡模拟技术在航空湍流研究中的应用J.空气动力学学报,2023,41(8):2643.SONGJQ,BAIHK,CHENGB,etal.AreviewoflargeeddysimulationofaviationturbulenceJ.ActaAerodynamicaSinica,2023,41(8):2643(inChinese).doi:10.7638/kqdlxxb-2023.0104第41卷第8期空气动力学学报Vol.41，No.82023年8月ACTA AERODYNAMICA SINICAAug.，2023capabilities.However,intermsofmechanism,theinteractionmechanismofvariouscomplexturbulentprocessesisstillunclear;intermsofnumericalmodeltechniques,thepredictiveskillofLESofaviationturbulenceisstilllimitedbyerrorsininitialconditions,boundaryconditions,andthemodelsthemselves(e.g.,parameterizations,dynamicalmethods).Inthefuture,thedevelopmentofnestinganddynamicgridtechnologybetweenLESandmesoscaleregionalmodels,high-resolutionensemblepredictionmethodsandprobabilitypredictionapproaches,aswellasthecombinationwithdeeplearningmethodswillfurtherimprovethecomputationalefficiencyandpredictionabilityofLESonaviationturbulencesimulationandforecasting.Keywords:large eddy simulations；trailing vortex wakes；low-level turbulence；convective inducedturbulence；mountainwaveturbulence；clearairturbulence 0 引言大气是航空飞行所必需的承载物，航空活动必然每时每刻都会直接或间接地受到各种气象要素和天气 的 制 约 和 影 响1。美 国 国 家 运 输 安 全 委 员 会（NationalTransportationSafetyBoard,NTSB）和美国联邦航空管理局（FederalAeronauticsAdministration,FAA）统计数据表明，1980 年以来由于气象原因所导致的航班延误所占比例最大，大约有 80%以上；重大的航空器事故也有约 30%与气象原因有关。因此气象条件是保障航空安全与高效运行的最重要要素之一。影响航空飞行安全的天气因素较多，典型的气象威胁场景包括湍流、强降水、风切变、雷暴、低能见度、冰雹和结冰层等等。其中根据 NTSB 和 FAA 数据分析（https:/www.faa.gov/newsroom/turbulence；https:/www.ntsb.gov/safety/Pages/research.aspx），所有与天气有关商用飞机事故和事件的 70%与湍流相关，其中大多数发生在巡航高度，是造成航空乘客和机组人员受伤的主要原因。从 1980 年到 2008 年，湍流共造成商用飞机 234 起事故，298 人重伤（包括 3 人死亡），2009 年到 2018 年共造成 111 起事故，122 人重伤。湍流导致的颠簸也会对飞机造成严重损伤，例如，在2000-2013 年期间，3 次严重的湍流导致了较小通用航空飞机在飞行中的解体，造成 7 人死亡。在中国因飞机空中颠簸造成人员受伤的情况也屡有发生。2015年 8月，一架由成都飞往北京的海南航空航班遭遇强烈颠簸，导致 30名机组人员和乘客受伤；2017年 6月，东方航空 MU774航班在飞行中遭遇严重颠簸，导致 20余人受伤，其中 4人重伤2。在飞行过程中由于严重湍流时产生的这种飞机“颠簸”，其大小取决于遇到的大气湍流强度以及飞机对这些湍流的响应。通常能够引发飞机颠簸的湍流空间尺度在大约 101000m 范围内3-4。在这个湍流尺度的临界范围内，飞机对湍流的响应随着机翼载荷（W/S，其中W 为飞机重量，S 为翼展）的增加而减小，随高度和空速的增大而增大5。由于这个尺度范围的湍流对飞行中的飞机影响明显，通常被称为“航空湍流”或“航空尺度湍流”（下文中称航空湍流）。湍流具有三维非线性的复杂特征，是极不规则、极不稳定的运动，是经典流体力学中“世纪难题”6。而航空湍流发生在真实大气环境中，复杂的下垫面、大气中的波动（如重力波、重力波破碎）等都进一步加剧了航空湍流理论研究的困难性7-9。为了能够有效避开湍流区域，红外、激光和微波雷达等多种地基、星载与机载观测设备被用于湍流观测，然而由于航空湍流特征复杂，这些观测手段还远不能满足实际航空保障需求。尤其对于没有明显的天气现象的湍流，现有设备难以探测，飞行安全难以保证。随着计算机性能的不断提高、数值计算方法的不断改进，数值模拟成为湍流问题的主流研究方法。湍流数值模拟方法主要分为三类，包括直接数值模拟（directnumericalsimulation,DNS）、雷诺平均 N-S 方程（Reynolds-averagedNavier-Stocks,RANS）和大涡模拟（largeeddysimulation,LES）10-11。LES 最早由气象学家 Smagorinsky 于 1963 年提出12。1970 年，Deardoff 采用 LES 模拟解决了简单的渠道水力学问题13。LES 的思想是将湍流的大尺度涡和小尺度涡分开处理，对尺度大的湍流大涡直接求解方程，同时在大涡的方程中引入适当的模型来考虑亚格子小尺度涡对大涡运动的影响，其中亚格子模型（sub-gridscale,SGS）是 LES 方法的核心问题，本文将在下一节进行概述。和 RANS 相比，LES 的亚格子模型具有较大的普适性，能够准确捕捉流动中的细微结构和流动现象，克服湍流统计模式的一些缺点，其封闭模型具有较宽的适用范围，更具有一般性和通用性，并且适用于复杂流动的模拟；与 DNS 相比，LES 的计第8期宋君强等：大涡模拟技术在航空湍流研究中的应用27算效率更高，应用性更强。因此经历了几十年的发展，LES 已成为模拟湍流最有前途和最成功的方法之一。实际上，当应用于现实的航空湍流问题时，即使是 LES 方法也可能是计算密集型的，因为相比于工程湍流，航空湍流形成的空间范围更大，因此也必须有一个足够大的模式计算域来捕捉大规模航空湍流的产生机制。典型模式计算域是水平方向约 1000km和深度约 25km 的域，但具有足够小的网格间距以接近影响飞机的湍流尺寸（100m），需要大约 1010量级的网格点。在实际应用中，因为计算能力和预报时效等各种条件的限制，中尺度天气模式与大涡模式的耦合非常重要，通常使用嵌套方法，将更小但分辨率更高的网格依次嵌入到另一个网格中14-21。如图 1所示，在外部网格域中，网格间距仅足以捕捉大规模强迫效应，但内部网格域的分辨率被构造为至少部分解决航空尺度的湍流。此外航空湍流的演变受到复杂地形的显著影响，数值模拟中对于复杂地形特征的准确处理也显得尤为重要19,22-31。航空湍流模拟的另一个重要特征是相当多的航空湍流与云的发展演变密切相关，因此相关温湿过程及相应参数化方案的改进也会显著提升航空湍流物理机制认知与预测精度32-35。140 W120 W100 W80 W60 W40 W40 N30 N20 ND1D2D3D4Domain of PIREPSand EDR Reports图 1 具有 4 个嵌套网格的模拟设置示例（标记为 D1-D4，用最精细的 D4 网格重建了灰色阴影区域的湍流爆发）34Fig.1 Example of a simulation setup with four nested grids,labeled D1 through D4.The finest grid D4 was set up to reconstruct aturbulence outbreak in the grey-shaded area34本文对航空湍流的 LES 研究进行了分类与回顾，主要集中在起降阶段飞机尾涡和低空湍流的影响和巡航阶段的对流湍流、山地波湍流、晴空湍流的LES 研究。此外，本文也对航空气象中 LES 的研究趋势进行了展望。1 LES 方法及 SGS 模型概述因为大尺度湍流脉动具有主要的能量和动量并支配湍流脉动的动量和能量输运，而湍流动能的耗散主要发生在小尺度脉动中，所以 LES 方法的思想是对大尺度含能湍流脉动进行直接模拟求解，而对小尺度湍流过程进行参数化，分离两种尺度湍流的过程即为滤波。目前常用的滤波函数有物理空间的盒式滤波器、高斯滤波器和谱空间的截断滤波器等，对于低速流动时可应用不可压缩 Navier-Stokes 方程组做过滤运算求解流场，采用 Boussinesq假设，过滤运算和空间或时间导数运算可交换，便可得到 LES 基本方程组如下：uixi=0 uit+uj uixj=1 pxi+v2 uixjxj+ijxj+00gi3+fit+ujxj=2xjxj+jxjxi(i=1，2，3)uip0vfiij=ui ujuiujj=ujuj其中表示三个方向坐标，表示对应速度分量。表示压强，表示温度，为参考温度，表示空气密度，表示运动黏度，表示热扩散率，表示 体 积 力 分 量。物 理 量 上 横 线 表 示 过 滤 后。表示亚格子应力，表示亚格子热通量，亚格子应力和亚格子热通量是可解尺度脉动和过滤掉的不可解的小尺度脉动之间的动量输送和热量输送，在方程中属于不封闭项。ij在 LES 的数值模拟中必须针对亚格子应力构造合适的封闭模型，即用 SGS 模型来封闭 LES 方程组，故 SGS 模型是 LES 方法的核心问题。目前有很28空气动力学学报第41卷多种 SGS 模型用于闭合 LES 方程组，包括 Smagorinsky模型12、动态 Smagorinsky 模型36、尺度相似模型37-38、混合模型39、理性亚格子模型40-41、TKE（turbulentkineticenergy，TKE）闭合模型42-43等。ij=2vtSij+13kkijj=vtPrtxjvtvt=Cs22?S?Prt?S?=(2SijSij)12SijCsSmagorinsky 模型和 1.5 阶三维 TKE 闭合模型是目前基于天气数值模式的 LES 研究中最常用的两种方案。Smagorinsky 模型认为亚格子湍流具有混合长度型的涡黏系数，混合长度和过滤尺度同一量级，并用 各 向 同 性 湍 流 的 统 计 特 性 确 定 模 型 常 数，Smagorinsky 模型中，亚格子应力和亚格子热通量可 写 为：，。其 中为黏涡系数，为湍流普朗特数，为流体变形率张量，为 Smagorinsky模型参数，通常取 0.10.18 的常数，因此形式简单，计算量小，模型耗散较大，稳定性好，易于工程实现，是最常用的 SGS 模型。TKE 闭合模型在方程中加入了 TKE 作为预报量，对所有的湍流阶量进行诊断，从而达到闭合湍流动量方程的目的。2 航空湍流分类航空湍流是由多种来源的不同强迫机制产生的，其典型特征以及对飞行器的影响都不尽相同。如Lester3根据湍流的常见来源，将其分为大气自身运动产生的湍流（对流湍流、晴空湍流等）、与飞行器相互作用产生的湍流（尾涡）。周建华1等按照湍流中大气不稳定的成因，将其分为动力湍流、热力湍流和尾涡。本文综合考虑了各种航空湍流的来源、特征及其在不同阶段对飞行安全的影响，分为主要影响飞行器起降阶段安全的低空湍流、飞机尾涡以及主要影响飞行器巡航阶段安全的对流湍流、山地波湍流与晴空湍流，其中山地波湍流对飞行起降阶段与巡航阶段都有着一定影响，但更多的是发生在巡航阶段。各类航空湍流的主要特征如下：1）低空湍流（low-levelturbulence,LLT）。LLT这种湍流源通常位于行星边界层内，在起飞和降落过程中可能是一个重大的安全隐患，尤其是对小型飞机来说。LLT 的形成主要因素包括，与地面锋面有关的对流和强风，白天炎热表面上的干热层结，以及与表面障碍物(山脉和丘陵、树木、建筑物)或崎岖平坦地形上的流动有关的机械强迫等，其强度由低水平风速、稳定度、地面以上高度和地形粗糙度（通过表面粗糙度参数 zo 的值量化）决定。此外，背风侧湍流分离（或“转子流”44）可能导致强烈的 LLT 区域。2）飞机尾涡。飞机尾涡是指在航空器起降阶段，由于翼型产生的空气扰动形成的旋涡结构。飞机飞行时都会产生一对围绕翼尖方向相反的闭合涡旋，会在飞机后面一个狭长的尾流区里造成极强的湍流。在两条尾涡之间是向下的气流，在两条尾涡的外侧是向上的气流。因此飞机尾涡对后续飞行器造成影响，会减小其升力和侧向力，并增加阻力和滑行距离，降低飞行安全。在飞机起降的过程中，前一架飞机产生尾涡与后续飞机之间必须保持足够的时间和空间间隔，以避免飞机尾涡对其他航空器带的影响。这个间隔称为尾涡间隔，尾涡间隔制约了机场航班的最大容量。3）对流湍流（convectiveinducedturbulence,CIT）。这种湍流的形成机制主要与干热气流或对流云中强烈的上升气流和下降气流有关，这些与对流云（云中或近云中）相关的湍流统称为 CIT。为了更好地区分云中和云外事件，其中将在可见云边界外的晴朗空气中的湍流称为近云湍流（near-cloudturbulence,NCT）33。NCT 通常是由对流诱导的重力波在远离云层的干洁空气中传播和破碎引起的。此外，还存在一些其他NCT 来源，例如，导致湍流产生的云顶上方的增强风切变3、云层界面不稳定性14,45，以及砧下冰升华引起的不稳定性46和可能的障碍物效应47。在这些情况下，由于湍流源与对流云结构直接相关，CIT 的寿命相对较短，通常只有几分钟，但在某些情况下由于中尺度对流系统（mesoscaleconvectivesystem,MCS）而导致的 CIT 过程的寿命可能会更长9,33。4）山地波湍流（mountainwaveturbulence,MWT）。MWT 是在稳定分层气流中，与山区上方和后方的大振幅重力波和破碎重力波（可以延伸到非常高的水平，穿过对流层，进入平流层和更远的地方）相关的湍流。它的形成机制主要包括所有高度的重力波、背风波和低层效应（如液压跳跃和旋翼）3，其中背风波本身具有不同的特性，这取决于上游条件和地形的调制作用。波的破碎对于 MWT 的形成也非常重要，对于有利于波能垂直传播的条件，在山上的高空可能会发生放大和破碎；在波能被垂直捕获的其他情况下，波破碎可能发生在山下游较低的高度。波的放大和破碎也取决于下垫面地形的特征，例如，准二维地形上的波浪振幅往往大于孤立三维地形上的振幅。地形的坡度也很重要，尤其是在下风侧48-49。5）晴空湍流（clearairturbulence,CAT）。美国国家 CAT 委员会对 CAT 的准确定义是，“在航空航天作业中，所有与可见对流活动不相邻的自由大气中的第8期宋君强等：大涡模拟技术在航空湍流研究中的应用29湍流（包括不在可见对流活动中或与可见对流活动相邻的卷云中发现的湍流）”。CAT 通常发生在晴空中对流层上层和平流层下层（uppertroposphereandlowerstratosphere,UTLS），这种形式的湍流在空间和时间上往往是局地性的，其垂直尺度通常比水平尺度小得多。CAT 倾向于在急流核的气旋侧和上下两侧发生50，有利于 CAT 的大气环境条件可以诱发开尔文-亥姆霍兹（KelvinHelmholtz,KH）不稳定性51。重力波和惯性重力波破碎也有助于 CAT 的发生34,52,53。因此，这些急流和锋面系统造成的不稳定机制与重力波机制是形成 CAT 的重要过程。表 1 对主要影响飞行器起降阶段安全的 LLT、飞机尾涡以及主要影响飞行器巡航阶段安全的 CIT、MWT 与 CAT 的来源及特征进行了简要概括。表 1 五种航空湍流分类及其主要影响的飞行阶段、主要来源及主要特征Table 1 Main flight stages,main sources and main characteristics of five types of aviation turbulence飞行阶段来源特征LLT起降阶段低空对流、层结、障碍物等多发生在行星边界层内尾涡起降阶段由于机翼产生的空气扰动一对围绕翼尖方向相反的闭合涡旋，在飞机后面一个狭长的尾流区里造成极强的湍流CIT巡航阶段对流云、中尺度对流系统等强烈的对流活动MWT巡航阶段山地等地形产生的波动上游条件和地形共同调制，发生的高度较高，影响较远CAT巡航阶段急流和锋面系统等造成的不稳定性、重力波活动等无明显可见的天气现象，空间尺度小且突发性强 3 航空湍流大涡模拟研究进展 3.1 低空湍流大涡模拟LLT 主要发生在大气边界层内，通过高分辨率LES 对边界层内湍流结构特征与形成机制进行模拟，从而提高飞机起降等低空区域湍流的预报。在边界层中，动量湍流、热量湍流和水汽混合与尺度和大气边界层深度相当的湍流结构有关54。因此对于LLT 的 LES 很大程度上取决于模式对大气边界层结构以及边界强迫模拟的准确性，边界层的参数化方案、下垫面以及中尺度过程与 LES 的耦合对于 LLT的模拟都非常重要。Talbot6和 Rai 等19的研究表明 WRF 模式嵌套LES 可以在保持计算效率的同时提高模型的准确性，尤其在高分辨率区域对复杂地形和大气物理过程进行模拟时更具有优势，并且 LES 的模拟效果对水平分辨率比垂直分辨率要更为敏感。为了更好地评估边界层内动量、热量和水分的垂直输送需要，内层嵌套的 LES 网格需要小于 30m 的模式水平分辨率，同时嵌套的外层中尺度模式中的最小网格间距应大于大气边界层深度，在 WRF-LES 中应用相对较大的网格比率有助于防止 LES 模拟域陷入灰色区域。研究同时发现嵌套 LES 对于参数化方案的选择具有极强的敏感性，尽管中尺度模式的参数化方案对中尺度域的模拟结果影响不大，但其在嵌套模拟中传播到最小的 LES 计算域，强迫输入数据的差异产生了显著的湍流模拟结果差异因此，在 LLT的 LES 中参数化方案改进是影响模拟效果的关键因素。LLT 的形成与地表障碍物以及地形上相关流动造成的机械强迫密切相关，大量工作证明大气边界层中下垫面处理对于 LES 也非常关键19,25-28,30-31。Zhou 和 Chow26使用采用显式滤波重构方法和有限差分法的嵌套 LES 对真实地形上的中等复杂度地区进行了数值计算，研究了在真实地形上稳定大气边界层间歇性湍流现象。结果表明，只有在最内层网格（25m 分辨率）成功解析了复杂的湍流运动，才能更准确地捕捉地表风速和温度变化时空变化规律，并且在模拟中即使是非常小的地形也可能导致强烈的LLT 事件。因此，对地形的正确处理非常重要。对不同的谱嵌套方案进行验证表明，使用基于反馈的嵌套方案可以更有效地捕捉周围环境的影响并提高计算效率15,20-21。Sulliva 等55提出了一种用于贯穿大气边界层的 LES 嵌套网格方法。该方法针对嵌套 LES 的不同网格使用不同的分辨率和物理参数来处理对应尺度范围的问题，粗网格和细网格上的双向相互作用解在瞬时重叠区成功匹配，细网格上的湍流运动顺利地融入到的粗网格中，在近地面层网格嵌套的情况下，可分辨的涡动通量和方差、垂直速度的以及垂直湍流通量均显著增加，并且显著提高了计算效率，并减少了实验室测试时间和成本。Muoz-Esparza21等利用耦合的中尺度模型和 LES 模型，从天气到边界层涡旋的角度对日变化进行了建模，使用嵌套网格方法，将中尺度模型和 25m 高分辨率的30空气动力学学报第41卷LES 进行耦合，从而得到了更准确的湍流模拟结果，提供更详细的边界层涡旋和天气系统之间的相互作用过程（图 2），证明了从传统天气尺度到 25m 的LES 模拟的动态降尺度的可行性。0481216202430120132UTC time/h(c)z=140 mz=40 m46861012810141612(a)z=140 mz=40 m21011120(b)z=140 mz=40 mU/(ms1)w/(ms1)TKE/(m2s2)图 2 2013 年 8 月 26 日在z=40、140 m 处（a）水平风速、（b）垂直速度和（c）湍流动能的时间演变（浅蓝色：激光雷达测量，黑色：WRF-LES 嵌套模拟，红色：单独中尺度 WRF 模拟）56Fig.2 Time evolution of(a)horizontal wind,(b)vertical velocity,and(c)turbulent kinetic energy,at z=40,140 m during the 26 August2013(light blue:Lidar measurements,black:multiscale WRF,red:mesoscale WRF)56目前通过 LES 与中尺度天气模式的嵌套，可以较好地模拟出大气边界层内复杂地形和大气物理过程对 LLT 的影响。由于复杂下垫面和边界层参数化方案对 LLT 敏感性，大气边界层与不同地形之间相互作用的复杂性，对于边界层内的 LLT 模拟的参数化过程大多是经验性调整的，因此仍然需要进一步改进嵌套方案、物理参数化方案和地形强迫等，发展动态自适应的 LES 方法来模拟边界层内不同复杂地形的 LLT。3.2 飞机尾涡大涡模拟飞机尾涡是一对反向旋转的柱涡，通常出现在机翼上方和下方的空气中。它由机翼表面的气流剪切和涡旋形成，随着飞机的移动和空气的流动而演化。在近场演化阶段，当飞机在飞行时，机翼后缘表面空气的环量脱落会导致形成涡面，涡面会不断卷起生成尾涡。在远场演化阶段，尾涡不断演化，最终完全消散。近地演化过程如图 357所示，尾涡和地面的相互作用会产生二次涡结构，尾涡传输的主要机制是相互诱导，即尾涡运动是由每个涡流处于另一个涡流的速度场中引起的。在没有风切变的情况下，涡流的强度相等，并一起下降。涡流倾向于下降到大约其初始分离的一半高度。在无黏性流动和无侧风的情况下，涡流轨迹是双曲线。然而，如果侧风大约等于初始下降速度，预计逆风涡流会在跑道上失速。尾涡的持续时间和气象条件密切相关58。因此在飞机起降阶段，除了尾涡的近地演化受到地面效应的影响59，飞机附近的环境大气湍流、侧风等气象条件也会对尾涡的演CrosswindVortex inducedshear layerBoundary layerSecondaryvorticity图 3 飞机尾涡近地演化示意图57Fig.3 Schematic diagram of aircraft tail vortexevolution near surface57第8期宋君强等：大涡模拟技术在航空湍流研究中的应用31化产生影响。地面效应与环境大气湍流、侧风等气象条件对尾涡的影响机制是尾涡 LES 研究的重要问题。b0b0b0为了更好地展现尾涡复杂湍流运动的细微结构和演化过程，LES 逐渐成为飞机尾涡数值模拟的主要研究方法。Shen 等60利用三维 LES 模拟真实大气边界层中飞机尾涡的演化过程，讨论了飞机尾涡和地面的相互作用，并用 3 组数值模拟结果与外场实验数据进行比较，模拟结果与实验数据吻合较好。Proctor 等61利用三维 LES 研究尾涡和地面的相互作用，分析了尾涡演化和地面距离等因素的关系。研究发现尾涡衰减速率受地面强烈影响，在距离地面约 3（是初始尾涡间隔）高度上开始影响尾涡对的轨迹和衰减速率，直到尾涡 0.6高度以内，由于地面的影响尾涡环量迅速衰减，地面粗糙度的增加会加速尾涡的衰减。Wang 等62进一步研究了地面障碍物的形状对飞机尾涡耗散的影响，结果表明障碍物形状影响二次涡结构的形态，障碍物产生的阻力直接影响尾涡耗散。在此基础上，Stephan 和 Holzpfel 等63利用 LES 发现通过修改地面参数来触发尾涡快速衰减，因此在机场合理地布置干扰板，在飞机经过时能触发二次涡产生，二次涡和主涡相互诱导，能提高尾涡的消散速度。林孟达等64-65在利用 LES 研究了飞机尾涡在大气近地层中的演化特性的基础上，初步创建了基于LES 的尾流间隔快速预测系统，系统可以根据实时大气风场和进场机型快速预测并输出所需的尾流间隔。此外，飞机尾涡还受环境大气湍流、侧风等气象条件的影响。Han 等66利用 LES 研究大气湍流对飞机尾涡的影响，揭示了尾涡流场变化和不稳定性演化规律，结果表明飞机尾涡的持续时间受环境湍流影响显著。Proctor等67和张钧铎等68-69利用 LES 参数化数值模拟，分析侧风切变对飞机尾涡的影响，结果表明侧风切变的垂直梯度确实会影响尾涡的轨迹，同时侧风切变和侧风切变的垂直梯度会引起尾涡横向分离的增大或者减小，如果分离减小那么尾涡衰减速度更快，如果分离增加，那么尾涡对中至少有一个尾涡比没有风切变时寿命更长。Paramasivam 等70用LES 研究侧风风速和大气湍流对飞机尾涡的影响，结果表明较高的侧风速度可以加速尾涡的衰减，低大气湍流强度对局地二次涡的形成影响不明显，高大气湍流强度对局地二次涡的形成影响较大。Li 等71指出均匀侧风对流和直线垂直切变侧风对流也会对尾涡强度产生影响，这种效应与涡间距的立方成反比，此外，侧风和涡诱导速度的叠加会导致尾涡对周围的压力分布不对称，这也会导致尾涡对倾斜，基于上述研究，提出了一种新的尾涡分析方法，可用于预测尾涡运动轨迹。飞机尾涡具有演化机理复杂、影响因素多等特点，目前基于 LES 的数值模拟有助于理解飞机尾涡地演化过程。随着高性能计算的发展，需要进行高精度的飞机尾涡全过程 LES 数值模拟。同时继续深入探究近地阶段飞机尾涡的演化机理，不断提高模型预测的准确度。此外，目前尾涡演化特性研究考虑的气象条件通常比较单一，复杂气象条件下飞机尾涡的演化特性，大气层结特性、湍流强度、温度分层、侧风、降雨、水雾等气象条件对飞机尾涡形成、发展和消散的综合影响，还需要进一步深入研究。同时结合数值天气预报系统和飞机尾涡预测模型，能更好地开发尾流间隔系统，有效提高机场容量。3.3 对流湍流大涡模拟CIT 来源于对流云结构中强烈的上升或下降气流。当前 CIT 观测的时空分辨率仍然不够精细，无法揭示 CIT 发生的动力机制和微物理过程，LES 方法通过模拟实例的三维精细湍流结构研究，有助于理解其中的机制。为此，必须同时模拟多尺度大气流的整个演变，从可能产生影响的大尺度强迫到直接影响飞机的大涡尺度 CIT。除了单体对流云导致的 CIT 之外，某些情况下 MCS 也会导致严重的 CIT 事件，并且其CIT 的寿命会更长。对于 MCS 相关的 CIT，高分辨率 LES 在计算上要求会更高9,33，因为模式的计算域需要足够大，以充分代表有利于 MCS 形成的天气环境，同时具有足够小的水平和垂直网格间距，以解决深对流的精细化模拟。在对流云上方和周围产生的 CIT 对航空来说是一个重要的安全问题。这种湍流产生的可能原因是云顶附近强烈的流动变形引起的不稳定性，也可能是由于云与环境相互作用产生的重力波破裂。更好地了解与对流云活动相关的 CIT 形成的条件有利于形成更好的湍流规避指南和预测能力。Lane 等14用LES 模拟的方法重现了 Dickinson 湍流事件的大尺度流场背景和云外 CIT 整个生消演变过程（图 4）。Lane 等将云外 CIT 的产生机制分为两类：（1）强气流变形引起的发展中对流上方对流和剪切不稳定；（2）在初始上冲云顶后由于对流诱导的重力波破碎。Lane 和 Sharman72在 Lane 等14的研究指出对于云外 CIT 的研究，非常有必要对风切变和云特性进行额外的敏感性试验。32空气动力学学报第41卷114116118X/kmZ/km1209.510.010.511.011.512.012.5(c)90 minutes104106108Z/km1109.510.010.511.011.512.012.5(a)80 minutes110112114Z/km1169.510.010.511.011.512.012.5(b)85 minutes图 4 二维模拟结果中对流中上升气流上部的时间演变，1-K 间隔的位势温度(细线)、云轮廓（0.05 g/kg 的总云混合比，粗线）和云外对流不稳定区域的阴影，（a）、（b）、（c）分别为80、85、95 min 的模拟结果14Fig.4 Time evolution of the upper part of an overshootingconvective updraft in idealized two-dimensional simulations at(a)80 min,(b)85 min,and(c)90 min.Potential temperature(thinlines)at 1-K intervals,cloud outline(total cloud mixing ratio of0.05 g/kg,thick line)and shading in regions of convectiveinstability outside of cloud14CIT 湍流也可能发生在对流消散后，Kim 和Chun73通过 WRF 模式模拟了一次发生在对流消散区上方的湍流事件的详细演变，结果表明对流云消散过程中对流不稳定性会激活云边界处的湍流和垂直混合，因此在预测 CIT 对于飞行的影响时，不仅仅要考虑深对流的发展和成熟阶段，还应该考虑深对流的耗散阶段产生的 CIT。在某些情况下，MCS 也会导致 CIT 事件的发生。对于 MCS 相关的 CIT，大型 MCS 通常有三个不同的中尺度环流系统，占据对流层的不同高度，包括近地表和对流层上层反气旋以