湍流的研究进展
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（1.****大学，** ** ******）
摘要：本文对湍流研究的进展上的一些突出实践做了简要介绍，对于解决湍流的理论依据上的发展，
湍流的试验方法，以及近几年来，随着计算机技术的高速发展，湍流的数据处理上更是高速发展。
关键词：湍流；研究；理论依据；试验方法；计算机
Research progress of turbulence
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（1.** university of **，** **，******）
Abstract：The turbulence research progress on some of the prominent practice is briefly introduced in this article. For solving turbulent theory basis of development. The test method of turbulence. And in recent years, with the rapid development of computer technology，turbulent data processing is more rapid development。
Keywords：turbulence；Research；theory evidence；experimental method；Computer
1 引言
包括已故诺贝尔奖获得者Feynman在内的好几位物理学家认为，湍流是经典物理学中尚未得到解决的一个大难题，对于湍流的研究进展，可以导致许多实际工程及科学应用的进步。例如，可以减少飞机飞行师气流湍动的影响，提高飞机的机动性，提高发动机的燃料效率（参见Moin and Kim，1997）[1]。
半个多世纪前，Kolmogorov（1941）[2]提出了现在著名的表镀铝和假设它们代表了我们了解湍流性质的重要的里程碑。
在本文中，我们将综述对于湍流基础问题的基本认识的一些进展。例如，我们将综述以下方面的进展：湍流时的运动方程，湍流的试验进展，计算机对湍流研究的影响。
湍流是杂乱无章地在各个方向上以大小不同的速度运动，流体的质点强烈混合，但是总的或平均的运动是向前的。湍流中的任一位置上的质点除了在主流方向是的运动以外，还有各方向上附加的及其不规则的运动。
我们将着重讨论不可压缩的各向同性湍流，同时提醒读者主义考虑那些可压缩性对各向同性湍流中能量传递过程影响的文章。Girimaji and Zhou（1950）[3]研究了Burgers湍流的有关惯性区及远耗散区中的普及能量传递的各种问题。三维可压缩湍流直接数值模拟（DNS）的分辨率（见Lele，1994的综合文章）[4]却只限于很有限的谱尺度范围。对于低湍流Mach数，可压缩传递实际上对于所有的谱空间都是正值，这是可压缩能产生的原因。
自从电子计算机出现以后,很多复杂而繁重的计算,都能由计算机来担任,使很多科学工作者从擎杂的简单劳动中解脱出来。而且用计算机代替人进行计算,既快又准确。对于和湍流研究有关问题的计算工作当然也不例外。
2 湍流时的运动方程
连续性方程与运动方程不能直接用于求解湍流流动问题，这是由于湍流流动极不规则，
每一个质点的速度都随着时间和空间随机的变化着[5]。可以根据时均值的概念即将流场中任
一点的瞬时物理量分解为时均值和脉动值，然后应用统计平均的方法从奈维-斯托克斯方程出发，研究平均运动的变化规律。
2.1．湍流的平均动量方程--雷诺方程
不可压缩粘性流体Ｎ－Ｓ方程在笛卡儿座标系中的表达式为：
（1）
（2） 故有：
（3） 对上式进行时均运算，应用脉动值的性质，可得：
（4）
或
（5） 这就是著名的“雷诺方程”。
各项的物理意义：
--单位质量流体平均运动动量的局部变化率；
--
单位质量流体平均运动动量的迁移变化率；
--作用在单位质量流体上的质量力的平均值；
--作用在单位质量流体上的平均流动压力的合力；
--作用在单位质量流体上的平均流动粘性力的合力
以上各项与层流流动中各项相对应。
湍流的运动方程是解决湍流问题的基本工具，是发展湍流研究的基础。
3 湍流的实验进展
3.1 1950年以前湍流实验技术的简述—热线流速仪
在本世纪20年代以前,测量流速主要是皮托管等测量平均流速的仪器。到20年代开始则有热线流速仪[6]。它是基于非电量电侧法的原理,进行平均流速和瞬时流速测量的一种电测仪器。
热线(热膜)流速仪从发展到现在已有了70余年的历史,其功能逐渐完善,应用范围逐渐扩大,目前是流体力学中应用最广的仪器之一。,除了热线流速仪以外,曾有染色或带粒子的流场显示的高速摄影等实验手段。但这些手段对研究湍流多半只有定性的参考价值,没有多少定量的数据可以得到。
3.2湍流随机采样技术的发展和应用
众所周知,湍流测量以前大都采用模拟方法,即用各种传感器把湍流脉动信号转化为电讯号,然后再用各种模拟电路把这些讯号加工成所需要的湍流参数。
所谓湍流一般的随机采样技术[7],是指按一定的采样速度,无条件地把湍流内连续的随机信号变换为离散的数字信号,然后用电子计算机技术来加工处理。通常都用快速傅立叶变换(FFT)法和快速褶积法以及快速相关法等算法。所谓条件采样,是把湍流中的随机信号,按我们要研究的对象的某种条件来采样,曹如,取采样平均的条件,、或采样位置的条件等等,至于加工处理大都也用电子计算机和各种有效的算法。采集随机信号的装置,可以是模拟式的,也可以是数字式的。.通常,随机采样.技术主要有两大类:一是直接的数字采样系统,把湍流信号离散采集在数字磁带上,.然后电子计算机加工处理这些数据;、再是混合系统,’先把湍流信号连续地记录在模拟磁带上,然后用A/D变换器对这些数据离散地加以量化,并采集在数字磁带上,或由A/D变换器直接送入电子计算机处理。在计算机上可以用软件来加工这些数据,也可以用硬件来处理。后者一般是做实时讯号分析。现在常用的是混合系统式的随机采样系统。用模拟磁带记录湍流信号,通常用得最广的是F丫法,即频率调制方法。它的原理是使载频信号的频率和输入数据的信号的振幅互相模拟。它大体上经历调制、磁记录、重发和解调等过程。;这种方法的主要优点在于能做直流响应,这样就不会丢掉湍流信号中较重要的低频部分。同时FM法的信噪比也能满足湍流测量精度的要求。即使这样,由于传感器及其放大系统从直流开始的低频响应一般较差,为了更仔细地研究湍流信号中的低频特性,有时还要采用慢记录快放的办法。
近10年来利用随机采样技术,进行了大量的湍流实验研究,取得了丰硕的成果。例如用条件采样,,研究过以下湍流现象:关于两个相反方向旋转同心圆柱间的Couet仁e流的螺线湍流间题,关于边界层内T0llmien-sehliehting波的非线性不稳定性,关于剪切流可能是具有某些特征的拟周期波的随机叠加的一些验证性试验;关于气流在波动面上的流动及其相互千涉现象,关于自由湍流或湍流边界层外部区域上的间歇现象,关于近壁粘性层湍斑的形成与发展以及与此相关的碎发现象等等。通过这些研究发现了湍流的一些重要的新规律和机理,如湍流中的拟序结构等等。。
3.3大涡旋模拟
按照湍流的涡旋学说，湍流的脉动与混合主要是由大尺度的涡造成的。大尺度的涡从主流中获得能量，它们是高度地非各向同性的。而且随流动的情形而异。大尺度的涡通过相
互作用把能量传递给小尺度的涡。小尺度涡的主要作用是耗散能量，它们几乎是各向同性的，而且不同流动中的小尺度涡有许多共性。关于涡旋的上述认识就导致了大尺度涡模拟的数值解法。这种方法旨在用非稳态的Navier－Stokes方程来直接模拟大尺度涡，但不直接计算小尺度涡，小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑。这种数值计算方法仍然需要比较大的计算机容量
3.4 其他湍流技术的发展
在其他湍流实验技术中,我们只准备谈一下激光多卜勒流速计[8]。这是近年来迅速发展起来的一种测速仪器。它利用了激光多卜勒效应。由于流体中悬浮粒子的运动使散射光频率产生偏移,测出频率偏移·量就可以算出流体移动的速度。
另外由于粒子的不均匀造成讯号脱落也是很讨厌的间题。近来采用干涉条纹技术并加大激光功率,虽大有改进,世又引进了一些新问题。另外昂贵的光学系统,较之热线来说也是远不能相比的。目前它的应用范围还远不如热线流速仪。还必须从原理上和技术上进行大的改革,才能得到普遍的推广。目前和今后相当长的一段时间内,热线(热膜)流速仪仍将是流体力学测量的主要手段。
湍流实验是由理论到实践的重要方式，湍流实验的发展可以有效地促进湍流知识在提高社会生产力中的作用。
4计算机对湍流研究的影响
4.1计算机对和湍流研究有关问题计算中所起的作用
自从电子计算机出现以后,很多复杂而繁重的计算,都能由计算机来担任,使很多科学工作者从擎杂的简单劳动中解脱出来。而且用计算机代替人进行计算,既快又准确。对于和湍流研究有关问题的计算工作当然也不例外[10]。
由于电子计算机的出现,过去人力所没有办法完成的复杂的计算工作变得可以由计算机来完成了。例如周培源教授的湍流一般理论,过去由于是复杂的联立偏微分方程,所以无法准确求解。现在有了电子计算机,就可以在机器上用数字方法精确求解了。
4.2湍流的数字模拟
旱在40年代,Vou Neumann曾在一次内部报告中有远见地提出,湍流的问题要高速计算机来解决。以后电子计算机逐步发展,到1965年,三个气象学家集团,即SmagorinskyJ.Manabes&Hollow-ay[11],Leith C.E.，, Mintz Y分别开始用电子计算机来数字模拟二维湍流运动。以后J.W.Deardorfftlo在1970年开始用计算机数字模拟在高Roynolds数时的三维湍流运动。以后采用小网格等方法来模拟揣流运动的工作很多。
在数字模拟时,通常采用Navier一StOlces方程和连续方程再加上一定的周期性的边界条件和初始条件进行计算求解[12]。由于对小的涡旋,网格必须分得很细才行。而网格的粗细又受到计算机容量的限制。
直到目前为止[13],用计算机数字模拟揣流运动只有大涡旋比较好,小的涡旋则和实验差得比较远。这里可能有下列儿方面的原因:①网格间距太大,不能反映小涡旋的运动。这就是刚才所说的一些情况。但这并不排斥可能有其他因素的影响。②周期性的边界条件可能和实际涡流运动的边界条件有一定出入。③Navier-Stokes方程在给定很好的初始条件以后,计算到一定时候要出现分叉。而电子计算机的计算通常需要解析性条件,在碰到奇点时可能会出问题[12]。
5 结语
总的来说,湍流问题离彻底解决还有相当长的距离。但还是有了不少的进展。其中值得注意的有下列三点：①解决湍流问题的公式工具增多，让解决问题时有理可循。②科学技术提高让湍流的实验便于进行。③在实验数据的处理上，由于近几年来计算机水平的高速发展使得庞大的数据量可以短时间内解决，大大缩短了时间。
总之，现在湍流的问题距离彻底解决还很遥远，但是我们已经看到了光明的前景，有了学者们的辛勤努力，我们一定能把湍流问题很好地解决。
参考文献
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第四章层流流动及湍流流动 由于实际流体有粘性，在流动时呈现两种不同的流动形态：层流流动及湍流流动，并在流动过程中产生阻力。 对可压缩流体，阻力使流体受压缩。 对不可压缩流体，阻力使流体的一部分机械能转化为热能散失，这个转变过程不可逆。散失的热量称为能量损失。 单位质量（或单位体积）流体的能量损失，称为水头损失（或压力损失），并以h w（或Δp）表示。 本章首先讨论流体的流动状态，再对粘性流体在两种流动状态下的能量损失进行分析。 第一节流动状态及阻力分类 一、流体的流动状态 1．雷诺试验：1882年雷诺作了如教材45页图4-1所示的流体流动形态试验。 试验装置：在圆管的中心用细玻璃管向圆管的水流中引入红色液体的细流。 试验情况： （1）当水的流速较小时（图4-1a），红色液体细流不与周围水混和，自己保持直线形状与水一起向前流动。 （2）如把水的流速逐渐增大，至一定程度时，红色细流便开始上下振荡，呈波浪形弯曲（如图4-1b）。 （3）当再把水流速度增大，红色细流的振荡加剧，至水的流速增大至某一速度后，圆管中红色细流消失，红色液体混入整个圆管的水中（如图4-1c）。 试验的三种不同状况说明： （1）对（图4-1a）所示，表明水的质点只有向前流动的位移，没有垂直水流方向的移动，即各层水的质点不相互混和，都是平行地移动的，这种流动称为层流； （2）对（图4-1b）所示，说明流动的水质点已开始有垂直水流方向的位移，离开圆管轴线较远的部位水的质点仍保持平行流动的状态； （3）对（图4-1c）所示，说明流动中水的质点运动已变得杂乱无章，各层水相互干扰，这种流动形态称为紊流或湍流。
2．雷诺数： 流体之所以出现不同的流动形态，主要由流体质点流动时其本身所具有的惯性力和所受的粘性力的数值比例决定。 惯性力相对较大时，流体趋向于作紊流式的流动； 粘性力则起限制流体质点作纵向脉动的作用，遏止紊流的出现。 雷诺根据此原理提出了一个判定流体流动状态的无量纲参数——雷诺数（Re）： 对在圆管中流动的流体而言，雷诺数的表现形式为 v：圆管内流体的平均流速（m/s）；ε：动力粘度（Pa·s）。 D：圆管直径（m）；ν：运动粘度（m2/s）。 实验确定，流体开始由层流形态向紊流转变时，称为下临界雷诺数， Re=2100～2320；当Re＞10000～13800时流体的流动形态为稳定的紊流，称上临界雷诺数；当Re=（2100～2320）～（10000～13800），流动形态为过渡状态，可以是紊流或层流。临界雷诺数随体系的不同而变化，即使同一体系，它也会随其外部因素（如圆管内表面粗糙度和流体中的起始扰动程度等）的不同而改变，所以临界雷诺数为一个范围数。 对于非圆管中的流体流动，雷诺数的表现形式为 R：水力半径（m）；A：流体的有效截面积（m2）； x：截面上与流体接触的固体周长（湿周）（m）。 （但水力半径R不是圆截面的几何半径r，如充满流体圆管的水力半径为： ） 这里，取下临界雷诺数为500。对工程中常见的明渠水流，下临界雷诺数常取300。 当流体绕过固体（如绕过球体）流动时，出现层状绕流（物体后无旋涡）和紊状绕流（物体后形成旋涡）的现象，此时雷诺数用下式计算：
湍流的研究进展 XXX （XXX大学化工学院，青岛 266042） 摘要：本文对一百多年来湍流研究的进展作了简要回顾,并概述了湍流产生的原因及湍流对流体造成的影响，从不同的方向阐述了当今流体湍流的研究成果，展现了湍流研究的深入对于科学技术与社会发展产生的重要作用，展望了对于湍流研究的前景,并对湍流研究的发展提出了一些建议和设想。 关键词：湍流;湍流模式;流体湍流；湍流强度； The Turbulence of Research Progress XXXXX (Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042) Abstract: Stupid hundred years Turbulence Research progress made brief review and an overview of the the turbulence causes and turbulent fluid caused today's fluid turbulence research, elaborated from a different direction, to show the turbulentdepth study of the important role of science and technology and social development, the future prospects for turbulence research, development and turbulence research has made some suggestions and ideas. Keywords: Turbulence; Turbulence models; Fluid turbulence; Turbulence intensity; 一、湍流研究的历史进程 人类很久前就已经观察到湍流运动了，但对它系统地进行研究则仅仅有一百多年的历史。经过一百多年的研究工作，人们的认识日益深化, 预测方法不断改进。回顾一下湍流研究取得进展的历程对于进一步揭示这一十分复杂流动现象是有益的。 涡团粘度概念首先是由波希尼斯克（Boussinesq）于1877年提出的，他的观点是湍流是一团杂乱无章的涡团。而现代湍流理论的创始人O.Reynolds则认为，湍流是由层流不稳定性发展起来的。这两位湍流研究的先驱者对湍流的认识有所不同。 本世纪二十年代湍流研究取得了巨大进展，有电子管补偿线路的热线风速计为湍流实验研究提供了有效的手段。 从四十年代到六十年代末湍流研究在理论和实验两方面都没有很大的突破。但是应用热线风速计测量各种湍流特性的资料大大充实了湍流的数据库。 六十年代末以后, 湍流研究又出现了一个新高潮，切变湍流中拟序结构的发现,复杂的湍流模式的建立和发展。湍流的直接数值模拟的尝试以及在方程中发现奇异吸引子或其它混沌现象的探索是近二十多年来湍流研究中的重大突破。
湍流研究简史-温景嵩 长春实验所发现的湍流不连续性及其对柯尔莫果洛夫理论基础的冲击具有十分重要的意义。（长春实验是指作者1972年9月在长春郊区采用类似热线风速仪的仪器测量大气湍流的温度脉动，也称温度脉动仪，然后通过频谱分析仪进行各谱段频谱分析。作者从中发现了湍流不连续性，也称间歇性。）因为湍流不仅是流体运动中的一个重大的世纪性的前沿课题，不仅它普遍存在于自然界，也普遍地存在于工程界，它是基础科学中一个重大的前沿分支---20世纪下半叶兴起的非线性科学的先驱和归宿。正由于以上两个原因，所以湍流问题的研究不仅吸引了众多的流体力学家，力学家的兴趣，而且也吸引了众多的数学家，物理学家，大气科学家，甚至包括了众多的工程技术界的专家学者的兴趣，大家都想在这一领域里一显身手。可以说湍流这一领域真正是“江山如此多娇，引无数英雄竞折腰”。自1883年英国曼彻斯特大学著名流体力学大师雷诺发表他的现代湍流开创性工作以来，一百二十多年里在湍流领域中已积累起浩如烟海的文献，发表了成百上千种的学说和理论，尽管如此，由于湍流这一课题固有的十分严重的困难，一百二十多年的众多科学家的奋斗结果，真正成功的理论并不多，算起来也就四个。 1. 普朗特的半经验混合长理论 第一个是1925年普朗特发表的半经验混合长理论，以及由此而导出的平板平均流速与所在高度的对数成正比的对数分布律。（冯. 卡尔曼1930，普朗特1933）这个对数分布律已由大量实验所证明。在工程上有很好的应用，可以用以计算平板表面所受的摩擦阻力，经过推广后，现在还可以用以计算飞船模型表面所受摩擦阻力。应该承认普朗特的半经验混合长理论解决了工程应用上的一大难题。后来前苏联学者莫宁（Monin）和奥布霍夫又把它成功地推广到近地面边界层大气风速的分布问题中去，为解决大气物理中的大气扩散等难题开辟了道路。然而普朗特的混合长理论并不是在工程应用中产生，也不是在大气中应用产生，也不是由实验带出来的结果。相反，它是在解决湍流这一学科发展中所面对的难题而产生的。它产生了以后，才有了工程的应用，才有了在大气中的应用，并且也才有了实验的证实。普朗特的半经验混合长理论是为解决雷诺方程的不闭合难题而创造出。1895年，也就是雷诺用实验证明湍流发生规律工作后的十二年，同样是由他研制成著名的雷诺方程。该方程从支配黏性流体运动的基本方程---纳维-斯托克斯方程出发，然后把瞬时流场分解为平均流场和湍流脉动速度流场的和，把这个和式代入到纳维-斯托克斯方程再取平均就形成了雷诺方程，这是一个支配湍流场中平均流场变化的方程，不幸方程不闭合。因为除了待求的平均流场外，又多了一个未知数，即同一点上湍流脉动速度的两个分量相关矩，它具有应力的量纲，又叫雷诺应力。它表征了湍流脉动场对平均场的影响，相关矩肯定不为0 ，即雷诺应力不是0。否则有湍流发生后的平均流场分布规律就应和没有湍流发生时的层流流场规律相同。而实验已证实，两者确实不同，这就证实湍流场的雷诺应力对平均场确有重要影响。可惜这是未知的。于是一个雷诺方程无法同时解出平均场和雷诺应力两个未知数，形成湍流研究中著名的不闭合难题，这个难题是由纳维-斯托克斯的非线性，以及湍流特有的随机性，在对方程求取平均值过程中必然产生。所以是湍流研究中固有的一个难点。用同样的雷诺方法，原则上可以求出湍流脉动速度两个分量相关矩的方程，这样方程就多了一个，此时和原来的雷诺方程一起现在有了两个方程，两个未知数，似乎可以闭合，其实不然。从纳维-斯托克斯方程的非线性特点，可以断定在建立两个分量的二阶相关矩方程时，必然又会增加一个新的未知的三阶相关矩，方程仍然不闭合，依此类推，若建立三阶相关矩方程，则同样还会多出一个未知的四阶相关矩，可以断言，沿着这条路线下去，未知数永远要比方程多一个，方程不可能闭合。这样下去，湍流问题就无法严格在数学上求解。雷诺方程建立后又过了三十年，即1925年由普朗特用混合长理论解决了这个难题。他的解决办法就是用物理模型方法来切断雷诺方程在数学上的不封闭链条，在雷诺方程那里就打住，引入混合长的物理模型，使雷诺
中国湍流研究的发展史 I 中国科学家早期湍流研究的回顾 黄永念 北京大学力学与工程科学系，湍流与复杂系统国家重点实验室，北京，100871 摘要总结了二十世纪三十年代到六十年代中国老一辈科学家（包括物理学家，力学家）周培源、王竹溪、张国藩、林家翘、谢毓章、张守廉、黄授书、胡宁、柏实义、陈善模、庄逢甘、陆祖荫、李政道、蔡树棠、是勋刚、李松年、谈镐生、包亦和等诸位先生的湍流研究工作。介绍他们对流体力学中最为困难的湍流问题所作出的努力和贡献。 关键词湍流统计理论，能量衰变规律，均匀各向同性湍流，剪切湍流。 引言 湍流一直被认为是物理学中最难而又久未解决的基础理论研究的一个课题。从1883年Reynolds圆管湍流实验研究算起已经跨越了两个世纪，湍流问题仍未得到解决。在跨入二十一世纪时，很多从事湍流研究工作的科学家都在思考这样的问题：二十世纪的湍流研究留给我们哪些宝贵财富？二十一世纪又应该如何面对这个老大难问题？Yaglom在2000年法国举行的一次湍流讲习班上回顾了二十世纪的湍流理论发展过程[1]，指出了其中两个最重要的成就：一个是Kolmogorov的局部均匀各向同性湍流理论，另一个是von Karman的湍流平均速度的对数分布律。同时又一次向世人介绍著名科学家Lamb在临终前对解决湍流问题的悲观看法。由于中国与世界各国在文字和语言上的差异和长期缺乏国际间的交流，历次湍流研究工作的总结和回顾中，人们往往忽略了中国科学家的作用。只有周培源教授在1995年流体力学年鉴上发表了“中国湍流研究50年”才打破了这种隔阂[2]。但是这篇文章也只局限于周培源教授率领的北京大学研究组所做的系列研究工作。实际上有很多中国科学家在上一世纪中做了非常出色的工作。本文仅就半个世纪前的三十年代到六十年代他们的湍流研究工作做一个简单的介绍，目的是要引起大家关注中国科学家的湍流研究和对湍流研究所做的贡献。 中国科学家的湍流研究工作可以分成两个方面，一是在国内极其困难的条件下坚持开展的研究工作，这方面的工作国际上鲜为人知。另一方面是在国外开展的研究工作，这部分工作国内也不很熟悉。因此，本文将把他们的不懈努力介绍给大家。 胡非在1995年发表的专著《湍流，间隙性与大气边界层》中曾专门介绍了中国学者的湍流研究工作[3]，但他的介绍还不够全面，特别是缺少对早期工作的报道。本文可以弥补其中的不足。 1 三十年代的研究工作 在我国最早发表湍流论文的是当时在清华大学的王竹溪先生。他在周培源先生的指导下
第一篇 大气的组成与物理特性 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 大气的气体成份 大气中的粒子群 大气的运动、能量与构造 大气的光学特性 大气的电学特性
1
第二篇 大气湍流
粘性流体的两种形态： 层流和湍流。 层流是流体运动中较简单的状态， 普遍的却是湍流。
2
湍流研究的意义
湍流的研究与国防建设和国民经济中 的航空、船运、环境保护、气象、化工、 冶金、水利、医学等学科密切相关，如果 能掌握它的运动规律，对它进行合理的应 用和有效的控制，那么对基础研究与实际 应用将有重大的意义。
3
湍流研究的成果
人们对湍流结构、湍流边界层、湍流 剪切流、湍流的传热传质、湍流扩散、湍 流统计模型、大气湍流、晴空湍流、等离 子湍流、湍流测量等问题进行了广泛的研 究，并取得了丰硕的成果。
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本节的内容
湍流的一般定义和描述； 湍流与层流的区别； 湍流理论发展的历史； 湍流理论简介； 湍流的特点； 大气湍流的复杂性； 湍流研究技术的发展。
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湍流的一般定义和描述
1. 湍流是随机的（Reynolds，Taylor，Von Karman ，Hinze等），又具有拟序结 构。 2. 流体的湍流运动是由各种大小和涡量 不同的涡旋叠加而成的，其中最大涡 尺度与流动环境密切相关，最小涡尺 度则由粘性确定；流体在运动过程中， 涡旋不断破碎、合并，流体质点轨迹 不断变化。
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关于湍流理论研究进展 摘要本文对近年来湍流理论在某些方面的研究进展作了概要介绍，对具有代表性的理论假设的思想方法，进行了扼要阐述，指出了相应的实用价值和局限性。 关键词湍流湍流统计理论混沌理论湍流拟序结构湍流剪切流动 1 无处不在的湍流现象 湍流是自然界中流体的一种最普遍的运动现象，它广泛的存在于我们生活周围。在大风吹过地面障碍物的旁边，在湍急的河水流过桥墩的后面，在烟囱中冒出的浓烟随风渐渐扩散等地方，都能观察到湍流运动现象。简单地说，湍流运动就是流体的一种看起来很不规则的运动。由于湍流现象广泛存在于自然界和工程技术的各个领域，因此湍流基础理论研究取得的进展就可能为经济建设和国防建设的广泛领域带来巨大的效益。例如，提高各种运输工具的速度以大量节约能源，提高各种流体机械的效益；改善大气和水体的环境质量，降低流体动力噪声，防止流体相互作用引发的结构振动乃至破坏；加强反应器内部物质的热交换与化学反应的速度等等。 然而像湍流这样，虽经包括许多著名科学家在内长达一个世纪多的顽强努力，正确反映客观规律的系统的湍流理论至今还没有建立，在整个科学研究史上也是不多见的。因此，可以说湍流是力学中没有解决的最困难的难题之一。因此，世界上许多国家一直坚持把湍流研究列为需要最优先发展的若干重大基础研究课题之一。 2 湍流理论的发展历史 湍流理论从它的思路来说大体可分为两类[1]。一类是先把流体动力学方程组平均以后，然后再设法使方程组封闭，求解后再和实验结果比较，看封闭办法是否正确。湍流中绝大部分理论是属于这一类型。另一类是先求解，取特殊模型，再引进平均，得到要求的物理量，和相应的实验结果进行比较。 2.1 Reynolds方程和混合长度理论 十九世纪70年代是Maxwell-Boltzmann分子运动理论取得辉煌成果的时代。它成功地解释了气体状态方程、气体粘性、气体热传导和气体扩散等
§1.4.2流动类型与雷诺准数 现在开始介绍流体流动的内部结构。流动的内部结构是流体流动规律的一个重要方面。因为化工生产中的许多过程都和流动的内部结构密切联系。例如实际流体流动时的阻力就与流动结构紧密相关。其它许多过程，如流体的热量传递和质量传递也都如此。流动的内部结构是个极为复杂的问题，涉及面广。以下紧接着的内容只作简单的介绍，因而在许多方面只能限于定性的阐述。 1、流动类型——层流和湍流 1883年著名的雷诺实验揭示出流动的两种截然不同的型态。 雷诺实验装置如图所示： 在水箱内装有溢流装置，以维持水位稳定，水 箱的底部安装一个带喇叭型进口的直径相同的 玻璃管，管出口处装有一个阀门用来调节流量， 水箱上方安装有内有颜料的小瓶，有色液体可 经过细管子注入玻璃管内。在水流经过玻璃管 的过程中，同时把有色液体送到玻璃管以后的 管中心位置上。 雷诺实验观察到： ⑴、水流速度不大时，有色细流成一直线，与水不混合。此现象表明：玻璃管内的水的质点是沿着与管轴平行的方向作直线运动。即流体分层流动，层次分明，彼此互不混杂，掺和(唯其如此，才能使有色液体保持直线)这种流型叫层流或滞流。 ⑵、水流速度增大到某临界值时，有色细流开始抖动，弯曲，继而断裂，细流消失，与水完全混合在一起，整根玻璃管呈均匀颜色，此现象表明，玻璃管内的水的质点除了沿着管道向前运动外，各质点还作不规则的，杂乱的运动，且彼此间相互碰撞，相互混合，质点速度的大小和方向随时发生变化，这种流型叫湍流或紊流。 2、流型的判据—雷诺准数 对管流而言，影响流型的因素有，流道的几何尺寸(管径d)流动的平均速度u 和流体的物理性质(密度ρ和粘度μ)。 雷诺发现，可以将这些影响因素综合成一个无因次数群duρ/μ，作为流型的判据。此数群称为雷诺(Reynolds)数，以R e表示，即：
第15卷第4期水利水电科技进展1995年8月 湍流理论若干问题研究进展 刘兆存 金忠青 (河海大学 南京 210098) 摘要 本文对近年来湍流理论在某些方面的研究进展作了概要介绍,对拟序结构发现后人们对湍流内部结构的新认识和近年来发展很快的从微分方程分析角度出发对湍流机理新的探索进行了评价,说明引入混沌后在时、空演化方面对湍流机理的模拟,最后阐述了流动稳定性和层流向湍流的转捩。 关键词 湍流 N-S方程 流动结构 流动机理 封闭性 近年来,在围绕湍流结构和统计两条主线的研究工作中出现了新观点和新趋势,虽然从历史的观点来看有些可能是错的——在科学容忍的范围内,但在现阶段却是研究的主流。 1 简要回顾及发展 1.1 半经验理论和模式理论 湍流的控制方程是N-S方程,但和层流相比,方程不封闭。为满足工程需要,发展了一系列的以普朗特混合长理论为代表的湍流半经验理论或早期模式理论。这种理论虽然对于增进对湍流机理的了解没有提供更多的贡献,但对解决工程实际问题却起了重大的作用[1]。半经验理论是一种唯像理论,并不涉及湍流内部机理。以速度分布公式为例,半经验理论的速度分布公式大致有对数型和指数型。对数型速度分布得到的假定是充分发展的剪切湍流中主流区(不含边界层的)的流速梯度和分子粘性无关,指数型(或渐近指数型)则假定分子粘性不能忽略[2],两种类型的流速分布公式在工程实践中都获得了非常广泛的应用。半经验理论的一个发展方向是吸收统计理论的成果,用统计理论的精细成果丰富半经验理论不足并保留便于应用的优点,如文[3]所作的工作。 近代的模式理论在封闭湍流基本方程组时特别吸收了统计理论的成果,如二方程模型、应力通量代数模型、应力通量方程模型等。关于这方面的详细论述,将另文给出。 1.2 统计理论 湍流的统计理论的目标则是从最基本的物理守恒定律——N-S方程和连续性方程出发,探讨湍流的机理。理查逊-柯尔莫哥洛夫湍流图像部分被实验所证实。统计理论中湍流的能量传递关系被更符合实际的U. Fr isch等所提出的B-模型所代替。湍流统计理论历时半个多世纪的发展,经泰勒、陶森德等人的努力,取得丰硕的成果,但仍不能绕过封闭性的困难,所得成果都还是很不完善的。湍流统计理论的重要性目前已有所下降[1]。我国周培源等提出了均匀各向同性湍流的准相似性条件以及相应均匀各向同性湍流的涡旋结构统计理论并得到实验的验证[4],进一步将在均匀各向同性湍流中得到的准相似性条件推广到一般的剪切湍流中,然后对关联方程的耗散项作出假定,利用逐级近似方法发展了湍流的统计理论[5],所得结果部分经实验证实。文[6]采用逐级迭代法对湍流平均运动方程和脉动速度关联方程 · 12·
湍流的研究进展 丁立新 （青岛科技大学） 摘要本文重点就湍流的理论研究进展作一阐述，从湍流的相干结构、表征及发展由来，到上世纪末湍流研究进展的雷诺方程，本世纪湍流的统计理论和半经验理论发展，湍流的模式理论，湍流的高级数值模拟分别论述，并为主要的工程应用做简要的介绍。 关键词湍流理论研究工程应用 Research process of turbulence Dinglixin Qingdao University of Science & technology Abstract This article focuses on the turbulence of research process as elaborated. From coherent structure of turbulence, characterization and development of turbulence to Reynolds equation about research process of turbulence on the end of the century, the development of semi-empirical theory and statistical theory of turbulence of this century, mode theory of turbulence, advanced numerical simulation of turbulence. Finally, brief description of turbulence industrial applications is suggested. Keywords Turbulence, Theoretical research of turbulence, Engineering applications 湍流是自然界和工程中最常出现的流动形态，湍流的出现将使动量、质量、能量的输送速率极大地加快，一方面造成能量消耗加快，污染物加快扩散等严重消极
第21卷第12期2006年12月 地球科学进展 A DVANCE S I N E AR TH S C I ENC E V o l.21 N o.12 D e c.，2006 文章编号：1001-8166（2006）12-1293-11 珠峰北坡地区近地层大气湍流与地气能量交换特征 仲雷1，2，3，马耀明1，4，苏中波5，刘 新1，李茂善3，4，马伟强3，4，王永杰1，3 （1.中国科学院青藏高原研究所，北京 100085；2.中国气象局成都高原气象研究所高原气象开放实验室，四川 成都 610071；3.中国科学院研究生院，北京 100039；4.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃 兰州 730000；5. I n t er na ti o nal I n s tit u t e f o r G e o-I n f o r m a t i o n S c i e n c e a nd E a r t h O b serv a ti o n，E n sc h e de7500，t he N e t h er l ands） 摘 要：利用珠峰北坡曲宗地区连续一年的大气观测资料（2005年4月至2006年3月），分析了珠峰北坡地区近地层大气湍流宏观统计特征和西南季风爆发前后地气能量交换特征。研究表明在珠峰北坡地区M o n i n-O bukh o v相似定律同样适用。拟合得到了珠峰北坡曲宗地区近地层无因次风速分量方差以及温度和湿度归一化标准差和静力学稳定度的函数关系。研究得出曲宗地区能量平衡各分量（净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量）以及地面加热场具有明显的季节变化和日变化规律。尤其是在西南季风的影响下，曲宗地区感热通量和潜热通量在季风爆发前后具有明显相反的变化趋势。其它特征参数（波文比和地表反射率）在西南季风爆发前后的变化规律也十分明显。 关 键 词：近地层；大气湍流；能量通量；珠峰；曲宗 中图分类号：P425.2 文献标识码：A 1 引 言 青藏高原地处我国西部，约占国土面积的四分之一，平均海拔在4000m以上。高原热力、动力作用以及地—气间的物质能量交换过程对我国、亚洲乃至全球的气候变化均有重大影响。青藏高原对大气的动力和热力作用主要是通过下垫面与大气的相互作用，并以湍流方式进行物质和能量交换而实现的。开展高原上地气系统物理过程的观测，分析确定热量、水汽等湍流参数的变化特征，将有助于改进全球气候模式和区域天气、气候模式在该地区的参数化方案。因此，对青藏高原的研究愈来愈受到中外学者的关注。20世纪50年代以来科学家进行了多次关于青藏高原的气象科学试验，如第一、第二次青藏高原大气科学实验（Q X P M E X，1979年5～8月，T I P E X，1998年5～8月），全球能量水分循环亚洲季风之青藏高原试验研究（G E W E X/G A M E-T i b e t，1996—2000年），“全球协调加强观测计划之亚澳季风青藏高原试验”（C EO P/C A M P-T i b e t，2001—2005年），积累了大量的宝贵资料，并且取得了丰硕的科研成果［1～10］。但是青藏高原特殊的地理条件和恶劣的气候环境给野外观测试验造成极大困难，使得很多试验只能在现有城市附近和交通相对便利的地区展开，不足以了解像珠穆朗玛峰（以下简称珠峰）这样的大地形对大气环流的影响。喜马拉雅山脉山体是北半球地表与对流层大气物质交换的重要通 收稿日期：2006-10-11；修回日期：2006-10-24. *基金项目：科技部社会公益研究专项“珠穆朗玛峰地区对全球变化的响应”（编号：2005D I A3J106）；中国气象局成都高原气象研究所高原气象开放基金课题“青藏高原地表特征参数卫星遥感反演研究”（编号：L P M2006011）；中国科学院知识创新工程重要方向项目“喜马拉雅山北坡地区地面大气与对流层大气交换研究”（编号：K ZCX3-S W-231）；国家自然科学基金项目“西藏高原能量水循环降雨共同观测研究”（编号：40520140126）资助. 作者简介：仲雷（1979-），男，安徽蚌埠人，博士生，主要从事大气边界层观测和卫星遥感应用研究.E-m a i l：z hongl＠i t pca s. a c. c n *通讯作者：马耀明（1964-），男，山西夏县人，研究员，博导，主要从事陆面过程和遥感应用研究.E-m a i l：y m m a ＠i t pcas. a c. c n
浅谈湍流的认识与发展 摘要：本文结合流体力学课程的学习以及对湍流相关书籍的阅读，阐述个人对湍流运动的发展、特点、性质的理解。湍流作为“经典物理学最后的疑团”，人们不断地进行探索，建立湍流模型对其进行研究理论分析。近年来，对于湍流这一不规则运动，人们提出了并且倾向于应用混沌理论进行分析，并取得了一些成果。对湍流的认识在不断深入。 关键字：湍流概念湍流性质湍流强度模型建立混沌理论 在流体力学的学习过程中, 湍流一度被称为“经典物理学最后的疑团”，我对湍流这一流体的状态极其相关的力学性质进行了更深入的了解与学习，结合课堂上老师的讲解以及课后对相关参考文献的阅读理解，在此我想浅谈一下这一阶段我对湍流的学习与认识。 从湍流的定义出发，初识湍流，湍流是流体的一种流动状态。对于流体，大家都知道，当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，也称为稳流或片流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏。这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，这种运动称为湍流。流体作湍流时，阻力大流量小，能量耗损增加。能量耗损E与速度的关系为△ E= kv2（k是比例系数，它与管道的形状、大小以及管道的材料有关。v是平均流速）。所有流体都存在湍流现象。 我们可以用雷诺数的范围量化湍流。在直径为d的直管中，若流体的平均流速为v，由流体运动粘度v组成的雷诺数有一个临界值（大约为2300～2800），若Re小于该范围则流动是层流，在这种情况下，一旦发生小的随机扰动，随着时间的增长这扰动会逐渐衰减下去；若Re大于该范围，层流就不可能存在了，一旦有小扰动，扰动会增长而转变成湍流。雷诺在1883年用玻璃管做试验，区别出发生层流或湍流的条件。把试验的流体染色，可以看到染上颜色的质点在层流时都走直线。当雷诺数超过临界值时，可以看到质点有随机性的混合，在对时间和空间来说都有脉动时，这便是湍流。不用统计、概率论的方法引进某种量的平均值就难于描述这一流动。除直管中湍流外还有多种多样各具特点的湍流，虽经大量实验和理论研究，但至今对湍流尚未建立起一套统一而完整的理论。在流
层流和紊流 cengliu he wenliu 层流和紊流 laminar flow and turbulent flow 实际液体由于存在粘滞性而具有的两种流动形态。液体质点作有条不紊的运动，彼此不相混掺的形态称为层流。液体质点作不规则运动、互相混掺、轨迹曲折混乱的形态叫做紊流。它们传递动量、热量和质量的方式不同：层流通过分子间相互作用，紊流主要通过质点间的混掺。紊流的传递速率远大于层流。水利工程所涉及的流动，一般为紊流。 雷诺数表征液流惯性力与粘滞力相对大小，可用以判别流动形态的无因次数，记作。雷诺数的定义式为： [19-01]式中、、分别为液体的密度动力粘滞系数、运动粘滞系数；、为流动的特征速度和特征长度。雷诺数小时,粘性效应在整个流场中起主要作用,流动为层流。雷诺数大时，紊动混掺起决定作用，流动为紊流。对于同样的液流装置，由层流转换为紊流时的雷诺数恒大于紊流向层流转换的雷诺数。前者称上临界雷诺数，其值随试验条件而变，很不稳定；后者称下临界雷诺数，其值比较稳定，对于一般条件下的管流（圆管直径为特征长度，断面平均流速为特征速度），约为2300。 层流只存在粘滞切应力。在简单的剪切流中，粘滞切应力： [19-02]式中[19-03]为剪切变形速度,亦即速度沿垂直方向的变化率；为动力粘滞系数,只和液体种类及温度有关的常数。此式表达了著名的牛顿内摩擦定律。层流中摩擦阻力及沿程水头损失均与流速的一次方成正比，流速分布呈抛物线型。圆管层流流速分布如图1[ 层流和紊流流速分布比较] 所示。 紊流又称湍流。液体运动呈随机性，即速度、压强等均随时间、空间作不规则的脉动，是紊流的基本特征（图2[紊流流
智能材料研究进展 摘要 智能材料是一门多门类、多学科交叉的科学，与物理学、材料力学、电子学、化学、仿生学、生命科学、控制理论、人工智能、信息技术、生物技术、计算机技术、材料合成与加工等诸多的前沿科学及高新技术戚戚相关、紧紧相连。因此，它一旦有所突破，便会导致众多学科的理论创新和许多领域的技术变革，大大地推动国家科学技术的进步和综合实力的提高。智能材料具有十分重要的现实用途和极为广阔的应用前景。从高精尖的宇宙探索，到普通人的日常生活，智能材料都起着重要的作用。 未来社会发展的趋势是智能化。智能化的首要问题是大力发展智能材料，智能材料的研究是材料科学研究的重要方向。智能材料的本质特征是材料具有仿生功能，即材料能根据感受到的信息而自动判断、控制和调整以适应外界条件变化。 本文介绍了智能材料的概念、定义及智能材料的特征,阐述和评价了智能材料——形状记忆合金、电流变体材料、光致变色材料、电致变色材料、形状记忆复合材料和智能型药物释放体系等的种类、组成、特点、用途、研究现状与市场前景。重点论述了压电陶瓷材料的制造工艺、特点、性质、研究现状及市场前景等。论述了发展智能材料的战略意义，展望了它的发展前景。 关键词：智能材料，研究，应用，发展
DEVELOPMENT PROGRESS OF SMART MATERIALS ABSTRACT Smart materials is more than one categories, interdisciplinary science, and physics, mechanics, electronics, chemistry, bionics, life sciences, control theory, artificial intelligence, information technology, biotechnology, computer technology, materials synthesis and processing and many other leading edge science and very much related to high-tech, tightly linked. Therefore, once it has been a breakthrough, it will lead to many disciplines in many areas of theoretical innovation and technological change; greatly promote national scientific and technological progress and the improvement of overall strength. Smart materials is of great practical use and very broad application prospects. Explore the universe from the sophisticated to the daily lives of ordinary people, smart materials play an important role. The trends of coming society are intellectualization. The essential issue of intellectualization is to develop intelligent materials vigorously. The study of intelligent materials is a crucial direction of material science.The main characteristic of intelligent materials is bionics functions. That is, it can judge, control and adjust it automatically to adapt the change of the external environment according to accepting information. In this paper, the concept of smart materials, definitions, describes the characteristics of smart materials, intelligent materials described and evaluated - shape memory alloys, electrorheological materials, photochromic materials, electrochromic materials, shape memory composites and smart based drug delivery system, and the type, composition, characteristics, uses, current situation and market prospects. Focuses on the manufacturing process of piezoelectric ceramic materials, characteristics, nature, current situation and
湍流的产生和解释 湍流是如何产生的有哪些模型可以预测和解释湍流现象 关于第一个问题，可以先从流体的流动讲起。假设有这样一根管道，我在一头加上一个水龙头，然后通过调节水龙头的大小来控制水的速度。一开始，水龙头开度比较小，这时候是层流（如下图）。 细致地调节细管中红水的流速，当它与主流管内水流速度相近时，可以看到清水中有稳定而清晰的红色水平流线，表明这时主流管中各水层互不干扰地流动。逐渐加大水龙头的开度，层流就慢慢的变成湍流了。这时流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合。这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生（如下图）
所以我们现在可以说，层流与湍流的最大区别就是流速了（单单对于上例来说）。流速较小的时候，流动比较规则，分层现象比较明显。流速大了之后就开始乱了，各种漩涡，滑动。 现在来看看究竟怎么区别层流和湍流，或者说究竟与哪些因素有关。这里我们先引入雷诺数的概念。雷诺数（Reynolds number）一种可用来表征流体流动情况的无量纲数，以Re 表示，Re=ρvd/ η，其中v、ρ、η分别为流体的流速、密度与黏性系数，d 为一特征长度。黏性就是指当流体运动时，层与层之间有阻碍相对运动的内摩擦力。举个例子，假如有一群人手拉手的往前跑，大家开始跑得都很慢，突然有一个人不想跟他们一起玩这个脑残的游戏了，所以任性的加快了速度。如果手拉的不紧，他就很容易逃脱—这就是黏性比较小，相互之间摩擦力较小；如果手拉的越紧，他就越不容易逃脱—这就是黏性比较大，相互之间摩擦力较大。另一方面，要是不容易逃脱，他只要加快速度，终究是可以逃脱的。 这个例子或许不那么恰当，但是可以说明雷诺数的概念了。雷诺数其实是一个无量纲数，表示作用于流体微团的惯性力与粘性力之比。当雷诺数较小时，黏滞力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减，流体流动稳定，为层流；反之，若雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于黏滞力，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的湍流流场。这里贴一张从层流发展为湍流的图（中间有一段过渡段，这也很容易理解，数值上的绝对反映到实际情况下，基本都有一段过渡段）。 再简单的概况一下，湍流就是当流体的惯性力影响大于黏滞力时，流动有 较规则分层明显的层流变为不规则的运动的情况。 对于第二个问题，有哪些模型可以预测和解释湍流现象 现在的模型大多都是近似的模型。如果硬要说说预测和解释的话，应该是连续方程和N-S方程，这两个方程基本上可以描述世界上所有的流动现象。但是由于各种原因（理论上，这个偏微分方程的求解是世界性的难题，计算流体力学方面，直接求解对计算机的
大气边界层案例分析 1. 由下图分析晴天白天和夜间典型的风温垂直分布。 分析：大气边界层中温度层级起着重要作用，层结的稳定与否决定了湍流的强弱，也就决定了边界层中气象要素的垂直分布(廓线)。 图1.3.1是晴天白天和夜间典型的理想的风温垂直分布。在贴近地面的薄气层内(近地层SL)，白天由于地面强烈受热，形成贴近地面大气中超绝热温度递减率，而反映在位温上，即是/0z θ??<，风速则随高度递增。再向上，在边界层的大部分范围内θ有一个不随高度变化的气层，风速也是如此，相应温度呈绝热下降，我们称之为混合层(ML)。其原因是强烈的湍流混合使风、位温等垂直梯度减小，造成均匀分布。 在边界层以上的自由大气(FA)中，温度恢复为自由大气的递减率，位温则随高度而增，风则接近地转风速。在自由大气与边界层间有一个过渡区域，其中各气象要素由边界层值逐渐过渡到自由大气。此层称为夹卷层(EZ)，在夹卷层中，发生着复杂的物理过程，从边界层中受热上升的气块可以穿透边界层与自由大气间的逆温而进入自由大气。同样，湍流、重力波等亦可使自由大气中具有较高位温的气块进入边界层，这种过程称为夹卷，在夹卷层中即进行着边界层与自由大气间的各种交换。 典型夜间的风温廓线从图 1.3.1可看出在地面附近有一个逆温层，亦即稳定边界层(SBL)，在T 和θ上均体现出来，这是由于地面强烈冷却造成地面温度低于大气造成，在其上则是一个θ随高度变化很小的“残留层”(RL)，从成因来说，白天的对流边界层在夜间由于地面降温而在近地面形成逆温，但上部一段却保持着白天混合层的特征，使θ近于随高度不
变，并且在残留层与自由大气间仍有顶盖逆温(CI)，但残留层由于逆温层的存在已与地面脱离关系，其中湍流得不到发展的动力而逐渐衰减。夜间边界层的风场由于夜间湍流弱，湍流摩擦力减小，风速与白天比得到加强，因而呈现出有最大风在某高度出现。 2. 大气边界层是与人类活动关系最为密切的一层，大气边界层具有哪些基本特点？ 分析：大气边界层的基本特点有： （1）运动的湍流性 大气边界层有别于其上的自由大气的基本特点就是其运动的湍流性。自由大气中也有时有“晴空湍流”存在，但不像边界层中湍流是始终占主导地位的流动。而边界层湍流运动也正是下垫面作用的结果。 在地表空气运动速度为零；在海面，海水流动速度相对于空气而言也是非常小，因而在海面也可以近似看成风速为零。而在这个零风速与边界层某个高度处的某个风速之间就会形成巨大的风切变，即大的/u z ??。 从动力学角度来看，气候系统中最大的摩擦在大气的最低层，在地球表面附近形成很大的风速垂直速度。根据湍流形成的条件，这种风速切变往往导致空气流动由层流状态向湍流状态转变的临界值。所以湍流运动成为行星边界层内流动的主要特征。 按流体力学的混合长理论，如果/u z ??越大，则由流点垂直位移形成的扰动速度'u 也会越大，即越易形成湍流。这我们也可称为机械湍流，因为它纯由机械运动而形成。 地表与大气的一个重要物理性质的差别是其辐射特性。地表白天强烈吸收日光辐射，使表面增温强烈，在地表与大气间形成一个强的超绝热的温度梯度，对做向上(向下)垂直运动的气块形成一个正(负)的净浮力，使垂直运动得到加速，加剧了湍流运动，此时温度层结是不稳定的。夜间地表因长波辐射而剧烈降温，形成与白天相反的垂直温度梯度，造成与白天相反的净浮力，减弱垂直运动。此时温度层结是稳定的。这种由温度层结形成的湍流运动可称为热力湍流，它是大气所特有的。由于下垫面的这种作用使得边界层内的温度垂直梯度远大于自由大气的温度垂直梯度，因而也造成了边界层内的强湍流。 因为湍流受层结强烈影响，因而边界层内的气象要素的时空分布—它是湍流运动的直接结果---也受层结的强烈影响，这是与自由大气不同的。 （2）受下垫面的影响巨大 不同下垫面沙漠、土壤、植被、城市、水面等有不同的物理性质，它们的辐射性质、热容量、含水量、粗糙程度等均不相同，于是以后各自造成的对大气运动的动力影响及由于热力特性不同产生的不同温度状态及进而形成的不同层结状态就会造成不同的湍流，造成不同的边界层状态，因而下垫面的巨大影响是大气边界层的另一个重要特点。 （3）日变化明显 上面讲过边界层中湍流受层结的巨大影响，而层结有明显的日变化，因而边界层中湍流也有明显的日变化，从而造成了大气边界层的结构及气象要素的空间分布也有明显的日变化，这是边界层的又一特点。 3. 运动的湍流性是边界层中大气运动的重要特征，分析湍流的发展过程。 分析：设在层流中线度为l 的某一区域发生了扰动速度'v ，其特征时间尺度将是/'l v τ=，