1. 作品研發(fā)的背景

　　大氣中風雷雨電的能量來源無一不是太陽加熱引起的內(nèi)能向各種能量的轉(zhuǎn)化。在某種意義上，大氣運動可以被理解為旋轉(zhuǎn)曲面上在太陽加熱下產(chǎn)生的流體運動。重力作用下的大氣存在下部密度大、上部密度小的層結(jié)特征，它限制了大氣對流的高度;科氏力作用下的氣塊的運動仿佛定常磁場中的帶電粒子，會受到轉(zhuǎn)向作用而呈現(xiàn)出顯著的渦旋運動，造就了小到臺風，大到三圈環(huán)流的萬千氣象。然而，由于大氣運動尺度較大且過于復雜，人們對它的認識多來自于資料分析，數(shù)值模擬和理論推導三類比較抽象的手段，在教學方面也局限于這三類。傅豪等五位大氣科學專業(yè)的本科生渴望通過做實驗直觀、感性地學習大氣科學，因而他們于2012年秋在物理學院潘永華、高惠濱高工和大氣科學學院王元教授的指導下開始了自主研發(fā)大氣對流演示裝置的工作。

　　2. 作品促進教學的理由

　　依靠做實驗理解大氣現(xiàn)象的趣味在于要從復雜的大氣中抽象出幾個核心因素并再現(xiàn)和測量之，然后以此為出發(fā)點逐步加入復雜因素，最終從物理實驗回歸大氣理論以達到完整的認識。在要素選取上，我們選擇科氏力、地表加熱和密度分層特性(層結(jié)性)三個特征，將大氣運動抽象為“旋轉(zhuǎn)層結(jié)流體上的熱對流”，通過制作旋轉(zhuǎn)平臺、安置底部加熱裝置、配置上暖下冷的溶液來模擬之，并用同學自主編寫的粒子圖像測速軟件測量流體運動。

　　為了使實驗室中模擬的“大氣”與真實大氣相似，必須令實驗參數(shù)滿足流體力學的“相似原理”。我們控制瑞利數(shù)(代表對流傳熱功率與熱傳導功率大小)，泰勒數(shù)(表征地轉(zhuǎn)偏向力和粘性力的強弱)與大氣基本一致，理論上可以和大氣運動“部分等價”，在實驗中也的確看到了和大氣類似的流場結(jié)構。在滿足真實大氣和實驗室模型相似的基礎上，我們用水代替空氣，降低了實驗技術難度。

　　另外，我們還編寫了一套計算流體力學程序用于數(shù)值模擬流場，在與實驗結(jié)果相互驗證的同時促進學生對現(xiàn)象的全面認識，并以實驗中的“測量、分析、數(shù)值模擬”思路類比地學習大氣科學中的“觀測、分析、數(shù)值模擬”方法。

　　3. 作品的功能

　　3.1 自然現(xiàn)象的再現(xiàn)

　　本作品可在實驗室中“部分再現(xiàn)”出臺風形成初期的對流渦旋群和雷暴發(fā)展初期熱泡突破重力層結(jié)兩個大氣現(xiàn)象。前者著重考慮了地球的旋轉(zhuǎn)和加熱兩要素，后者著重考慮層結(jié)和加熱兩要素。所謂層結(jié)是指大氣上部密度小下部密度大的特征。這里強調(diào)“初期”是因為成熟的天氣系統(tǒng)中潛熱釋放是主要能源之一，而潛熱難以在實驗室模擬。同時，本作品再現(xiàn)的對流渦旋爆發(fā)過程是顯著的自組織現(xiàn)象，不僅能加深學生對混沌現(xiàn)象的理解，還能對大氣對流的研究有所啟示。

　　3.2 工程目標的實現(xiàn)

　　該儀器不同于一般流體實驗儀器的地方在于所有供電、加熱都需要在旋轉(zhuǎn)平臺上進行，這對信號和電力的傳輸、儀器控制是個考驗。

　　本作品可以在一個較高速旋轉(zhuǎn)(<5轉(zhuǎn)/s)的平臺上對一個直徑15cm的水槽進行兩個二維平面上的流場速度測量和實時加熱控制測量。

　　我們通過導電滑環(huán)向轉(zhuǎn)臺供220v交流電，并實時傳輸流場或儀器示數(shù)畫面到觀眾面前的顯示屏上。

　　在流體速度測量方面，我們考慮到熱對流結(jié)構精細，因而沒有采用容易干擾流場的傳統(tǒng)定點式探頭測速，而是用非接觸式的粒子圖像測速。我們用紅綠兩部片激光正交地照亮流場的感興趣層，用分別安裝紅、綠濾光片的兩部相機在轉(zhuǎn)臺上拍攝之，待實驗結(jié)束后用粒子圖像測速軟件反演出兩個二維速度場。當對流渦旋恰好處在兩面激光交線附近時，可獲得它的“準三維”速度結(jié)構。

　　為了增強加熱的可控性，我們用通過遙控繼電器控制的250w白熾燈作為容器底部的熱源，可有效減少“熱慣性”對溫控的影響，而且比紅外加熱燈成本低很多。我們還專門布置了一臺風扇用于燈泡周圍空間的散熱。

　　作品名稱：大氣對流演示裝置

　　作者單位：南京大學大氣科學學院