Page 15 - 《应用声学》2024年第6期

第 43 卷 第 6 期 王明军等： 声波扰动近地面边界层湍流脉动特性 1191

因此罗斯贝数越大，近地层局地区域内受到声波扰 气湍流基本特征参数来衡量声波扰动之后近地面
动的气流运动愈强烈，旋转程度愈大。 边界层内湍流时空结构演化情况。结果表明：在近
在大气湍流场中，理查森数是大气湍流稳定度 地面层声压级较小时，大气湍流脉动流速几乎没有
的判据，用来衡量声波扰动之后大气湍流是持续还 明显变化。随着声压级的增大，声波扰动湍流脉动
是消亡 [18] ： 流速不断增大，证明外加声源会破坏湍流的初始流
¯
g ∂T/∂z 动状态增加各个层流之间的脉动。然而改变声源频
Ri = · , (17)
¯
T (∂U/∂z) 2 率，对脉动流速的影响并不是特别的明显。当频率
式(17)中，g 为重力加速度，z 为高度。 增加到一定程度后，湍流流动轨迹发生改变，各个
对式 (6)、式 (8) 求导后代入式 (17) 进行数值 流层之间流动混合明显增强，发现在近地层放置声
模拟，图 16 为当卡曼常数 k = 0.4、地面粗糙度 源合适的影响范围。在地表温度恒定的情况下，底
z = 1、重力加速度 g = 9.8 m/s、空气绝热递减率 层大气距离声源较近的区域，声波辐射的能量较大，
′
¯
∂T/∂z = −0.98 时，声波扰动大气湍流理查森数变 对气流扰动愈强烈，旋转程度愈大。随着距离声源
化曲线。由图 16 可以看出，在声源上方，梯度理查 越来越远，声波扰动越弱，湍流脉动缓慢，说明大气
森数 Ri < 0，表示声波扰动之后大气进入不稳定状 湍流的脉动程度与声压级的大小有关。本研究表明
态，在近地面层声波对平均气流的扰动加强了机械 通过人工引入声波的方法可以扰动近地面层湍流
湍流运动，导致垂直方向上能量交换频繁，理查森数 脉动，因此根据不同的工程应用场景选择合适的声
较大；但是随着高度增加 Ri 将趋近平稳，主要是声 源，对后续实现主动控制湍流影响光波传输特性提
波扰动近地面层大气与上层大气不同造成的，声波 供理论支撑，为地空链路上光电对抗中大气湍流环
的这种机械扰动随着高度的增加将会逐渐减弱，到 境光传输信道特性的改善和干扰有重要意义。
达一定高度之后就会充分混合，因此 Ri也将接近于
平稳。
参 考 文 献

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本文研究声波扰动下近地面边界层湍流脉动
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