重力波波包在三维非等温大气和水平风场中非线性传播的数值研究

采用全隐欧拉格式（FICE）对重力波波包在三维非等温大气、均匀和剪切风场中的非线性传播进行了数值模拟，给出了重力波波包三维非线性传播的全过程，分析了重力波的传播特性及背景温度场、风场对重力波传播的影响。结果表明：波包扰动速度振幅的增长比在WKB条件下振幅的增长要慢；波包非线性传播的路径、能量传输速度不同于WKB近似下的结果，非线性效应导致了重力波的传播特性的改变；温度场的非均匀性会改变重力波传播的路径和速度；剪切风场使扰动速度振幅的增加变得缓慢，使垂直波长减小。     

地形产生的山地波及其传播过程模拟研究

气流经过地形产生的山地波是大气重力波研究的重要类别之一.从大气运动的控制方程组出发,建立模拟地形产生的山地波及其传播过程的二维数值模式.利用水平背景风场、地形和垂直速度之间的关系,在模式中引入垂直速度扰动作为地形产生山地波的激发源.通过模拟该激发源引起的扰动即山地波在大气中的传播过程,再现了山地波的产生、传播及充分发展过程.通过分析水平波长、垂直波长、位温扰动、流线,在空间尺度上描述了山地波的产生、传播及充分发展的过程.在气流经过地形产生的山地波的传播过程中,其水平波长λ_x的范围为2.5~5km,垂直波长λ_z约为2.5km.这些结果与利用山地波线性理论计算的垂直波长一致,从而验证了本模式能够模拟地形产生的山地波及其传播过程,为深入了解山地波的产生过程及其在中高层大气中的传播机制和效应奠定了基础.      

Alfvén脉动的控制方程

本文由磁流体力学方程组导出了行星际空间中不可压缩小尺度脉动的控制方程组。对这一组方程的讨论表明,在小振幅极限下,脉动幅度的径向变化可由通常文献中引用的Alfvén波在缓变磁流体介质中传播的WKB解来描述。当脉动幅度与平均磁场强度之比为有限值时,在一般情况下,控制方程中的非线性项不能略去,因而不能用WKB解来描述有限振幅脉动幅度的径向变化。这一结论可以解释为什么在0.3—0.9AU实测Alfvén脉动振幅和谱的变化与WKB解不一致。在这组控制方程的基础上提出了一个定性的模式。将Alfvén脉动看作主要由许多具有不同波矢k的向外传播的有限振幅的Alfvén模式组成。它们在传播过程中将产生一级小量的波动。零级量与一级量的非线性相互作用使波能向高频区串级。零级量波动振幅的变化不仅受到太阳风慢变化的影响,而且受到这一非线性相互作用的影响。这一模式可以定性解释主要的Alfvén脉动的观测事实。      

SC切石英晶体谐振器在甚高频低噪声振荡器中的应用

晶体控制的甚高频振荡器广泛应用于具有优良短期频率稳定度和低相位噪声的信号发生器中。这种振荡器均采用工作在泛音模的 AT 切晶体。由于 AT 切晶体谐振器的幅频效应,使相位噪声难以进一步减小。双旋转切晶体(例如 SC 切晶体)的幅频效应较 AT 切的小得多。因此,可使 SC 切晶体工作在较 AT 切晶体所允许的更大的激励电流上。如果能使振荡器固有的相位起伏不随晶体电流的增大而显著增大,则采用 SC 切晶体元件可以改善晶体控制甚高频信号发生器的短期频率稳定度和噪声。曾用三次泛音 SC 切晶体(而不是用五次泛音 AT 切晶体)进行过100MHz 低噪声振荡器的实际可行性试验。对 SC 切和 AT 切晶体元件的相频特性进行了测量。测量结果表明,晶体元件的功耗能够比使用 AT 切晶体增加6-10dB。对用双极结型晶体管振荡器的噪声源的检查表明,二次及三次失真是造成实际振荡器呈现显著相位闪变的原因。从解凡得堡(微分)方程中出现的频率校正项可了解到减小频率闪变的要求。桥式 T 形振荡器适合于作 SC 切甚高频晶体振荡维持电路。曾研究过这种电路的噪声源(包括调幅闪变噪声的幅相变换),并得到了对上述振荡器所预期的 L(f)的估算值。对相同的一对振荡器进行了测量,预计的 L(f)和所测得的 L(f)很一致。结果表明,和 AT 切甚高频晶体控制振荡器相比较,SC 切晶体控制的甚高频振荡器的L(f)得到了显著改善。     

中高层大气对低层大气脉冲扰动的响应

从基本的大气运动方程出发,采用二维全隐欧拉格式(FICE)建立极坐标下二维声重波传播的数值模式.对小振幅高斯形态声重波传播过程的模拟结果表明,该数值模式能够再现声重波波包向上的稳定传播过程.应用此数值模式模拟了在没有背景风场和存在背景风场条件下中高层大气对10km高空处近似脉冲点源扰动的响应过程,获得了中高层大气对低层大气脉冲扰动响应的图像.结果表明,电离层高度对重力波扰动的响应不但出现在激发源激发之后,还与激发源具有较大距离,扰动的幅度随高度的增大而增大;有背景风时,顺风情况下重力波波动传播路径较逆风情况下平缓,且传播的水平距离比逆风情况下远,波动的振幅较逆风情况下弱,逆向背景风场能够加速重力波向上传播.同时,模拟还表明脉冲扰动正上方可以激发产生一种以6 min为主要周期,具有声学分支特性的快速波动.本文模拟的扰动结果与2004年12月26日苏门答腊-安达曼地震引起的电离层TEC扰动具有类似的图像.      

声重波激发的ESF的波长效应

通过对赤道地区声重波激发的Ｓｐｒｅａｄ－Ｔ扰动的非线性制约方程的拓扑特性,在不同扰动波长和扰动振幅的条件一进行数值计算,以及对原始非线性方程组在不同参数范围内进行数值模拟,显示了声重波的垂直扰动分量对ＥＳＦ演化的影响,为赤道地区Ｓｐｒｅａｄ－Ｆ形态的多样性提供了一种非线性的解释。     

声重波在垂直切变风场中的传播与演变

本文根据时空变化风场中声重波演变的基本方程,详细讨论了声重波的基本参量在垂直切变风场中的变化方式。结果表明,沿群路径上波长、相速和传播方向的变化取决于风场的垂直结构以及波风之间的相对方位。声重波扰动动能的变化与波空间尺度的变化存在一定的关系。对于上行重力波分支,波包动能的增加伴随着波长变长,波包动能减小伴随着波长变短;对于上行的声波分支,情况则相反。文中还讨论了常定的声重波波列在垂直切变风场中的传播问题,分析表明,声重波能量密度增加伴随着本征频率减小,能量密度减小伴随着本征频率增加。      

低热层臭氧含量振荡和温度起伏间的耦合关系

本文求出了声重波传播过程中,低热层臭氧含量振荡和温度场起伏间的耦合关系。首次揭示出其正负相关性的内在原因和判据——动力扰动尺度。在中小尺度声重波扰动范围内,臭氧含量振荡与温度场起伏是正相关的,且相关幅度可达或超过7;而在大尺度或行星尺度波范围内,则一般为负相关。此发现可解释低热层中臭氧含量快速变化及臭氧含量长时间纬圈平均值变化与温度场成负相关的观测事实。本文还在声重波尺度范围内比较了线性和非线性理论的结果,结果表明两者没有太大的差异。     

用声表面波振荡器测量位移

利用声表面波(SAW)延迟线振荡器能制成一个位移传感器。这种延迟线振荡器具有两块铌酸锂(LiNbO_3)板,每一块板的表面带有一个叉指式换能器(1DT),把两块板的传播表面的一部分相互搭接在一起。在声表面波传感器中,振荡频率取决于声表面波元件的传播途径长度,这个长度通过移动振荡器的两块铌酸锂板中的一块板来改变。本文所说的声表面波位移传感器具有很高的灵敏彦,达300Hz/μm 和1.0kHz/μm。它是通过在 Y—X 两块铌酸锂板的表面上分别用6.5对(间距为0.55mm)和5对(间距为0.4mm)的叉指式换能器来实现的。声表面波延迟线振荡器的模态转换在某个给定的传播途径长度上出现,可用频谱分析仪观察。     

现代石英晶体振荡器测量方法

近年来误差修正技术的引入,使得石英晶体谐振器(以下简称晶体)电参数的测量技术有了重大进步。论述了以下基于现代网络分析仪的测量方法。—1 GHz高频晶体及其泛音参数测量。—分步摘除法寄生振荡测量。—晶体在窄温区的活性及频率下降特性描述。—虚拟电容负载谐振测量法。—激励电平相关性(DLD)测量法识别晶体非线性特性。     

低温下工作的石英晶体振荡器

本文介绍石英晶体谐振器在低温下工作的性能试验结果及其在高稳定振荡器中的应用。已经对两种不同型号的晶体谐振器进行了测试:BVA_2型设计(无电极设计)的5MHz谐振器和常规设计的5MHz、五次泛音 AT 切谐振器。在4.2K 时 Q 值大约增加了一个数量级。低于4.2K 时所测出的上述每一种谐振器的 Q 值均无明显的增加。对于这两种型号的晶体,各取一只样品,在靠近2K 时的温度系数和4.2K 时的数值相比较是显著降低了。BVA_2型样品在靠近2K 时的温度系数为3×10~(-10)/K。同一只晶体在靠近2K 时所得到的幅频效应表明,在10~(-7)瓦以上时频率随晶体耗散功率的变化是很大的。本文给出了采用在低温下工作的石英晶体谐振器来稳定振荡器系统的某些结果。     

Alfven波在微电离大气中的衰减特性研究

利用简单的偶极子地磁场模型以及大气电子密度和电导率模式, 分析地面产生的磁扰动以Alfven波的模式传播到近地空间区域. 这种地面的磁扰动可能干扰近地空间卫星对空间磁扰动的观测. 通过对地面磁扰动Alfven波模式1000 km高度内的衰减情况进行模拟, 认为在近地空间采用地磁偶极子模型是合理的. 由于衰减随扰动频率的增大而急剧增强, 分析还得到了近地卫星能够探测到地面磁扰动的最大频率. 计算结果表明, Alfven波的衰减主要集中在高度50 km以下, 这个区域内的大气电导率极其微弱, 使Alfven波的传播受到极大衰减. 0.4 Hz以下的Alfven波沿磁力线传播到1000 km高度后衰减结为原来扰动幅度的千分之一, 因此频率在0.4 Hz以下的Alfven波可能会干扰低轨卫星探测磁场脉动.      

部份球面石英晶体谐振器的设计

只有一边缘曲面的部分球面晶体谐振器常被用作低频范围的高Q值AT切器件。过去,已经提出过有关电极质量负载极小的均勻球面晶体的论述,但是要把只有一边缘曲面和镀回量不能忽略的扁平晶片的理论证明得使人信服就会困难得多。本文仿效以前的文章,通过对每一区域波导振荡模色散关系的严格推导,将问题简化为二维形式,精确到横向波数的二阶,这相当于标准的厚度切变截止模。已经采用一种量子力学的常用方法,把谐波振荡器的函数作为基本函数,并且根据这个基本函数以扰动法简化本征解。这种方法注意到了边界条件的自动匹配问题,而这的确需要对基本函数的大量数值加以积分计算,但是这一点用现代计算机是很容易完成的。     

强震前异常电场激发声重波对电离层的影响

震前地震孕育期地表异常增强的电场,通过大气电导率传输到电离层高度.该异常电场通过非稳态局部加热,可以在电离层高度激发声重波.基于该理论,利用一维时变中纬电离层物理模型,模拟了该扰动源对电离层电子密度的影响.结果表明,重力波引起的中性风速度扰动对电离层电子密度分布影响甚微,该机理无法解释震前电离层异常扰动现象.      

怎样减小振动对SC切石英晶体振荡器的影响

要给现代化通讯、导航及雷达系统提供必要的频谱纯度,就必须减小石英谐振器的加速灵敏度(γ),例如从γ=10~(-10)/g 减小到γ=10~(-12)/g。为了实现这一目的,当前正在研究几种(仅与谐振器有关的)无源法。专门设计的单谐振器和双谐振器是无源法应用的两个实例。应用电子线路的有源法已经进行了研究,它能进一步使振动影响减到1/50。然而,用来实现这种方法的变容二极管的非线性限制了可能达到的最终减小量。本文介绍一种可供使用的有源法。这种方法的原理是应用 SC 切晶体的线性电压～频率特性,而要点在于把相位适当的振动模拟信号电压直接加在晶体电极上。用几块不同的SC 切晶体所做的一系列试验都确认了这种有源法的效果。把晶体振荡器略加修改,是为了加入补偿电压,而不会改变振荡器的电路原理。补偿测试范围:加速度1至14g,振动频率50至500Hz;补偿电压大小取决于γ的初值,可从-20至+20V(峰-峰值)。初步实验结果表明,在不连续的频率上γ值几乎能降低三个数量级,在50到500Hz 连续频率范围能降低一个数量级。     

模拟重力波非线性传播的并行数值模式

基于MPI消息传递接u和区域分解的思想,对跳点网格上的串行数值模式进行并行化处理,建立了模拟重力波非线性传播的并行数值模式.针对跳点网格的特点,详细论述了跳点网格系统下区域分解和各子区域间的数据通信.对小振幅重力波传播过程的模拟结果表明,并行数值模式可以很好地模拟小振幅重力波的传播过程,也能保持重力波传播过程中的能量守恒关系.并行数值模式的并行效率可以达到0.65,在理想情况下可以达到最大值1.0.作为与串行数值模式的比较,采用不同网格分辨率以保证计算时间相同,分别用串行和并行数值模式模拟有限振幅蕈力波的非线性传播过程,结果表明,通过引入更多的进程参与计算,并行数值模式可以有效地提高模式的分辨率,模拟出重力波在发生翻转之后,而存演化成湍流之前的这段时间内有Kelvin-Helmholtz billows出现,但是,在相同的计算时间内,串行模式的分辨率较低,不能刻画这些精细的现象.     

矩形齿磁流体密封装置的磁场计算

 考虑了不同磁介质磁化性能的非线性,并采用介质边界上磁场传播关系对介质边界漏磁的精确描述,利用不等间距网格有限差分数值方法,对矢量磁位描述的轴对称场偏微分方程进行求解,计算出磁流体密封装置中具有非线性、稳态特征的强磁场分布,得出了不同齿数密封装置的磁场分布,克服了磁路法计算中对磁介质磁化性能和漏磁理想化估计带来的误差,计算结果准确、合理、可靠,为密封装置的结构设计提供了设计依据.     

重力波波包在可压大气中的非线性传播

本文采用二维全隐欧拉(FICE)格式对具有高斯分布的重力波波包在等温、可压大气中的非线性传播过程进行数值模拟和分析.数值分析结果表明:尽管存在非线性效应,在整个传播过程中,波动的等相面向下运动,波包和波相关能量向上传输.波相关扰动速度随高度增加指数增长,并且波与平流会发生非线性相互作用,最后导致平均流场增强.这与线性重力波理论完全一致.重力波波包的传播路径与重力波线性射线理论预言非常接近,但平均水平群速度和平均垂直群速度均明显小于线性射线理论给出的结果,可见波动的非线性过程会改变波相关能量的传输速度.模拟结果首次定量地展示出非线性效应对重力波波包传播的影响,表明建立在线性理论框架中的重力波运动学定义的合理性.      

非等间距显式算法在重力波非线性传播数值模拟中的初步应用

采用3阶TVD型显式时间积分方法,建立了2维可压缩大气中重力波非线性传播的非等间距显式数值模式.对小振幅重力波传播过程的模拟结果表明,该模式能够很好地再现小振幅重力波的传播过程,并能保持能量守恒关系和各扰动量之间的相位关系,与线性重力波理论预测的结果吻合很好.对有限振幅重力波的模拟结果表明,与格点数相同的等间距网格中的模拟结果相比,采用非等间距网格能够以更高的分辨率模拟重力波的不稳定传播直到破碎的整个过程;在非等间距网格中的模拟结果与在加密一倍的等间距网格中的模拟结果相同,说明了用非等间距网格模拟重力波的饱和与破碎过程是正确的,并且采用非等间距网格能够大大减少计算量.      

冲击波在变密度、运动介质中的传播

本文得到了点源爆炸波在变密度、运动介质中传播的分析解(ω=2,γ=5/3),讨论了耀斑引起的击波在太阳风中传播的一些特性。发现1AU附近区域恰是击波各种重要效应的过渡区;击波减速等效指数i(D=K(u_o,E_s)R-i(u_o,E_s,R))是介质运动速度u_o.击波能量E_s,和击波传播距离R的函数,通常是小于1/2的,不是自型理论预言的那样简单;太阳风的对流效应使击波可以传播到10-20AU以远,与飞船(先躯者10、11号)新近的观测相吻合。