分层、湍流组织及压力-应力对表面层湍流各向异性的影响

在大尺度上，湍流应力张量表现出显著的各向异性，这是所有壁面限制湍流流动的关键特征。然而，随着剪切和热力分层在大气表面层 (ASL) 中的演化，如何解释这种各向异性的驱动因素仍是理论与模型面临的巨大挑战。本文利用速度方差预算探讨了 ASL 近表面区域各向异性的演化，该区域对大尺度涡旋模拟而言尤为棘手。特别关注缓慢和快速压力-应力相关性以及输运在动能在各个速度分量之间分配中的作用。来自四个数据集的近表面观测结果显示，在广泛的通量 Ricardson 数 $R_{if}$ 和壁面法向距离范围内，各向异性保持持续存在，突显了不同过程在三个 distinct 流动范式中的重要作用，大致对应于动力学 ($|R_{if}|\ll1$)、动力-对流 ($|R_{if}|\sim1$) 和对流 ($|R_{if}|\gg1$) 三个 ASL 演进阶段。特别是在动力-对流阶段靠近表面的情况下，壁面法向速度方差下降，平行于壁面的速度方差显著增加，表明压力输运和快速畸变作用日益突出，与湍流组织有关。这一行为未被经典 Rotta 闭合所捕获，需纳入快速压力-应力和输运项。所有阶段都发现壁面阻塞作用影响表面附近的湍流，从而需要采用各向异性 Rotta 模型来容纳其效应。