1.边界层理论概述 (1) 1.1 边界层理论的形成与发展 (1) 1.1.1 边界层理论的提出 (1) 1.1边界层理论存在的问题 (2) 1.2 边界层理论的发展 (2) 2边界层理论的引入 (3) 3 边界层基础理论 (4) 3.1 边界层理论的概念 (4) 3.2 边界层的主要特征 (6) 3.3边界层分离 (7) 3.4 层流边界层和紊流边界层 (9) 3.5 边界层厚度 (10) 3.5.1 排挤厚度 (11) 3.5.2 动量损失厚度 (11) 3.5.2 能量损失厚度 (12) 4 边界层理论的应用 (14) 4.1 边界层理论在低比转速离心泵叶片设计中的应用 (14) 4.2 边界层理论在高超声速飞行器气动热工程算法中的应用 (14) 4.3 基于边界层理论的叶轮的仿真 (15) 参考文献 (17)
1.边界层理论概述 1.1 边界层理论的形成与发展 1.1.1 边界层理论的提出 经典的流体力学是在水利建设、造船、外弹道等技术的推动下发展起来的，它的中心问题是要阐明物体在流体中运动时所受的阻力。虽然很早人们就知道，当粘性小的流体（像水、空气等）在运动，特别是速度较高时，粘性直接对阻力的贡献是不大的。但是，以无粘性假设为基础的经典流体力学，在阐述这个问题时，却得出了与事实不符的“D'Alembert之谜”。在19世纪末叶，从不连续的运动出发，Kirchhoff，Helmholtz，Rayleigh等人的尝试也都失败了。 经典流体力学在阻力问题上失败的原因，在于忽视了流体的粘性这一重要因素。诚然，在速度较高、粘性小的情况下，对一般物体来说，粘性阻力仅占一小部分；然而阻力存在的根源却是粘性。一般，根据来源的不同，阻力可分为两类：粘性阻力和压差阻力。粘性阻力是由于作用在表面切向的应力而形成的，它的大小取决于粘性系数和表面积；压差阻力是由于物体前后的压差而引起的，它的大小则取决于物体的截面积和压力的损耗。当理想流体流过物体时，它能沿物体表面滑过（物体是平滑的）；这样，压力从前缘驻点的极大值，沿物体表面连续变化，到了尾部驻点便又恢复到原来的数值。这时压力就没有损失，物体自然也就不受阻力。如果流体是有粘性的，哪怕很小，在物体表面的一层内，流体的动能在流体运动过程中便不断地在消耗；因此，它就不能像理想流体一直沿表面流动，而是中途便与固体表面脱离。由于流体在固体表面上的分离，在尾部便出现了大型涡旋；涡旋演变的结果，就形成了一种新的运动“尾流”。这全部过程是一个动能损耗的过程，也是阻力产生的过程。 由于数学上的困难，粘性流体力学的全面发展受到了一定的限制。但是，在粘性系数小的情况下，粘性对运动的影响主要是在固体表面附近的区域内。 从这个概念出发，普朗特（Prandtl）在1904年提出了简化粘性运动方程的理论——边界层理论。即当流体的粘度很小或雷诺数较大的流动中，流
第五章大气污染扩散 第一节大气结构与气象 有效地防止大气污染的途径，除了采用除尘及废气净化装置等各种工程技术手段外，还需充分利用大气的湍流混合作用对污染物的扩散稀释能力，即大气的自净能力。污染物从污染源排放到大气中的扩散过程及其危害程度，主要决定于气象因素，此外还与污染物的特征和排放特性，以及排放区的地形地貌状况有关。下面简要介绍大气结构以及气象条件的一些基本概念。 一、大气的结构 气象学中的大气是指地球引力作用下包围地球的空气层，其最外层的界限难以确定。通常把自地面至1200 km左右范围内的空气层称做大气圈或大气层，而空气总质量的98．2％集中在距离地球表面30 km以下。超过1200 km的范围，由于空气极其稀薄，一般视为宇宙空间。 自然状态的大气由多种气体的混合物、水蒸气和悬浮微粒组成。其中，纯净干空气中的氧气、氮气和氩气三种主要成分的总和占空气体积的99.97％，它们之间的比例从地面直到90km高空基本不变，为大气的恒定的组分；二氧化碳由于燃料燃烧和动物的呼吸，陆地的含量比海上多，臭氧主要集中在55～60km高空，水蒸气含量在4％以下，在极地或沙漠区的体积分数接近于零，这些为大气的可变的组分；而来源于人类社会生产和火山爆发、森林火灾、海啸、地震等暂时性的灾害排放的煤烟、粉尘、氯化氢、硫化氢、硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物为大气的不定的组分。 大气的结构是指垂直（即竖直）方向上大气的密 度、温度及其组成的分布状况。根据大气温度在垂直 方向上的分布规律，可将大气划分为四层：对流层、 平流层、中间层和暖层，如图5－1所示。 1. 对流层 对流层是大气圈最靠近地面的一层，集中了大气 质量的75％和几乎全部的水蒸气、微尘杂质。受太阳 辐射与大气环流的影响，对流层中空气的湍流运动和 垂直方向混合比较强烈，主要的天气现象云雨风雪等 都发生在这一层，有可能形成污染物易于扩散的气象 条件，也可能生成对环境产生有危害的逆温气象条件。 因此，该层对大气污染物的扩散、输送和转化影响最大。 大气对流层的厚度不恒定，随地球纬度增高而降低，且与季节的变化有关，赤道附近约为15km,中纬度地区约为10～12 km，两极地区约为8km；同一地区，夏季比冬季厚。一般情况下，对流层中的气温沿垂直高度自下而上递减，约每升高100m平均降低0．65℃。 从地面向上至1～1.5 km高度范围内的对流层称为大气边界层，该层空气流动受地表影响
第八章 边界层理论基础和绕流运动 8—1 设有一静止光滑平板宽b ＝1m ，长L ＝1m ，顺流放置在均匀流u ＝1m/s 的水流中，如图所示，平板长边与水流方向一致，水温t ＝20℃。试按层流边界层求边界层厚度的最大值δmax 和平板两侧所受的总摩擦阻力F f 。 解：20℃水的运动粘度ν＝1.003?10-6 m 2/s 密度3 998.2/kg m ρ= 6 11 9970091.00310ν-?= = =?L uL Re 因为 56 310997009310?<=
第一章大气边界层基本的概念 1、大气边界层定义，特征 2、大气边界层的垂直分层结构，通常可分为粘性副层、近地面层、混合层 3、边界层发展的日变化，陆上高压区大气边界层通常由三部分组成，对流混合层，残余层，稳定边界层 4、大气边界层按稳定度分类：稳定边界层，不稳定边界层及中性边界层 5、风与气流的流动形式：平均风速、波动、湍流 6、自然界中的流体运动存在着两种完全不同的运动状态：层流、湍流 7、莫宁-奥布霍夫（Monin－Obukhov）相似理论以及π理论是边界层湍流研究的理论基础， 8、大气湍流的能量来源于机械运动作功和浮力作功两方面。 9、名词解释：泰勒假说 第二章湍流基础 1、湍流的基本特征：随机性、非线性、扩散性、涡旋性、耗散性 按照能量学的观点，大气湍流的存在和维持有三大类型：风切变产生的湍流、对流湍流、波产生湍流 2、湍流的定量描述(重点掌握)：平均量和平均法则、雷诺分解、统计量、湍流尺度 大气湍流中，雷诺平均通常有三种平均方式，分别是时间平均，空间平均，系统平均。 第三章大气边界层控制方程（要知道出发方程都是什么，推导方法，拿出来一个方程能够识别出是什么方程，各项对应的物理意义是什么，这章会有个推导题，题目见课件） 1、基本控制方程（状态方程、一个质量守恒方程（连续方程）、三个动量守恒方程（Navier-Stokes方程）、一个热力学能量方程）水汽及污染物的守恒方程形式与热量守恒形式一致 通过Boussinesq 近似得到简化方程，克罗内克符号，交变张量， 2、平均量方程出发方程：Boussinesq 近似方程组 采用雷诺平均的方法，将任意一个物理量表示成平均量和脉动量之和，代入方程组，然后再取平均————大气边界层平均量控制方程，重要：在动量、热量和水汽平均方程组均出现了湍流通量散度项，表现出湍流通量对平均场动量、热量和水汽含量增减的贡献。 P.S 定常、水平均匀，忽略下沉，取平均风速为x轴方向几种假设的含义 3、湍流脉动量方程将出发方程展开为平均量和脉动量相加的形式,与平均量方程相减，即可得到湍流脉动量控制方程。 理论上，用这些脉动量的预报方程可以求解湍流的运动，但是脉动量运动的时间尺度在30分钟以下，并且空间尺度相对精细，这种尺度的求解在实际的气象应用中持续时间太短，难以直接应用～～～～湍流脉动量方程作为寻求湍流方差预报方程、湍能方程以及协方差（通量）预报方程的中间步骤 4、湍流方差预报方程从湍流脉动量方程出发,乘以2u’,2q’,2θ’,2C’，再利用乘
边界层气象学复习材料 第一章绪论 1.大气边界层的定义； 第二章大气湍流 1.流体运动的两种形式：层流和湍流 2.湍流发生的两种机制：1.热力作用；2.动力作用。 3.泰勒假设；泰勒假设的基本思想：将空间序列问题转换为时间序 列问题。泰勒假设成立的基本条件：冰冻湍流理论，即在湍涡发展时间尺度大于其平移过传感器时间的特定情况下,当湍流平移过传感器时,可以把它看做是凝固的。 4.雷诺平均的核心思想； 5.定常湍流、均匀湍流和各向同性湍流的物理含义； 6.傅里叶变换的核心思想； 7.湍流能谱谱区分布及特征； 8.由大气运动方程组推导雷诺平均方程组；包辛涅斯克近似的含义； 9.通量的物理意义：通量是指单位时间单位面积的流体的某属性量 的输送。湍流通量与属性量廓线的关系。 10.湍流动能方程各项的物理意义； 11.K理论； 12.通量里查逊数，梯度理查逊数，整体理查逊数； 第三章大气边界层 1.稳定、不稳定、中性边界层通常多出现在什么天气条件；
2.位温廓线的日变化规律；给定一条典型的位温廓线，要求知道对 应什么时间段。 3.中性层结下风速廓线关系的推导； 4.中性边界层的三力平衡； 5.对流边界层形成的主要能量来源； 6.对流热泡贯穿机制和卷夹层的形成过程； 7.低空急流的形成原因：夜间湍流强度迅速减弱，湍流摩擦力迅速 减小到很低的量级（摩擦力撤除效应），最终导致科氏力引发惯性振荡。 第四章大气扩散 1.影响大气扩散的主要两个气象因子：风、大气稳定度。 2.有界扩散需要考虑地面对污染物的反射作用，相当于同时考虑“实 源”和“虚源”的贡献。 3.影响大气扩散的两种运动：1.平流（输送）；2.湍流（扩散）。 4.五种常见的烟流扩散与大气稳定度之间的关系； 第五章通量观测
1 Transport Phenomena, Xu Jian, 2009 第五章边界层理论 边界层概念 边界层方程 边界层分离 2 Transport Phenomena, Xu Jian, 2009 5.1 边界层概念 在上述层流动量传递的若干实例的分析中，(1)形状简单；(2)引入了假设：管道无限长、忽略进口段影响。实际问题要复杂得多。 边界层理论，粘滞力对动量传递影响的一般理论，是粘性流体力学的基础，也与热量传递过程和质量传递过程有着密切的关系。 3 Transport Phenomena, Xu Jian, 2009 5.1 边界层概念 Prandtl(1904)提出边界层概念，把统一的流场，划分成两个区域，边界层和外流区；其流体流动（沿流动方向和沿与流动方向垂直的方向）有不同的特点。 边界层：流体速度分布明显受到固体壁面影响的区域。 边界层的形成： ?壁面处流体的“不滑脱”no-slip ?流体的“内摩擦”作用 边界层厚度δ?U ＝0?0.99 U 0 4 Transport Phenomena, Xu Jian, 2009 5 Transport Phenomena, Xu Jian, 2009 5.1 边界层概念 流过一物体壁面的流体分成两部分 ?边界层，粘性流体，不能忽略粘滞力?外流区，理想流体，可以忽略粘滞力 6 Transport Phenomena, Xu Jian, 2009 边界层理论的要点 边界层厚度δ的变化 ?前缘处，δ＝0 ?x ↑, δ↑；沿壁面的法向将有更多的流体被阻滞?δ< 第五章?大气环境保护概述５.1大气环境基础知识5.１.１大气污染 1、大气的成分?地球表面附近的大气是包括颗粒尘埃在内的混合气体，其组成包括恒定的和不定的 两种。 在近地层大气中有氮、氧、氩、氖、氪、氙、氢等成分,其中氮、氧、氩占大气总量的９9.9６％,这三种成分的含量几乎不变。大气中的不定成份主要是自然过程和人为活动的排入大气污染物质,如物质燃烧的灰份,火山爆发的尘埃，风起的灰尘以及工业、交通排出的废气等。 ２、大气污染 大气污染也称空气污染，是指大气中的污染物质，当其数量、浓度、毒性以及大气中持续时间等因素的综合作用结果，可能会使某些地区的生物体的生命和人类的健康、或生产活动受到影响。 （1）大气污染源 通常把能产生大气污染物的场所、设备、装置等称为大气污染源。大气污染源总的来说有两类:一类是自然污染,如大风刮起的地面沙尘，森林火灾产生的ＣO２、NO2等。另一类是人类活动产生的污染物，如工矿企业、交通运输排出的废气、毒气、烟尘和放射性元素;燃料燃烧排出的碳氢化合物、ＣO、SO2和烟尘;另外还有散播的农药、核武器和化学武器的试验残余物等。 (2）大气污染物?大气污染物的种类和成份十分复杂。从污染物的物理性质来看，大气污染物可分为颗粒物质和气体污染物。烟尘、粉尘是固体颗粒物质，这些颗粒物质悬浮于大气中常称为气溶胶。直径大于10微米的颗粒物质叫“降尘”,它可以在离污染源较短的距离之内落到地面。直径小于1０微米的叫“飘尘”，它们可以在大气中停留数小时甚至几年。 上述污染物是由污染源直接排出的,称为一次污染物。有的一次污染物不稳定,在大气中经化学反应或光化学反应，形成新的污染物,称为二次污染物。 3、大气污染对人类的危害和影响?大气污染物危害人体主要通过表面接触、呼吸、食入等途径。 其对健康的危害主要表现为引起呼吸道疾病。在突然的高浓度污染物作用下可造成急性中毒。这里针对几种主要交通污染物对健康等方面的影响作简单介绍。 （１）粉尘 道路施工时会产生粉尘也叫尘埃，尘埃中粒径大于１0微米的颗粒物,大多可被鼻腔和咽喉所捕集,不会进入肺泡。但粒径小于1０微米的飘尘，即ＰＭ10长时间在空中飘浮,易被吸入呼吸系统。其中较小的微粒侵入到没有粘液层和纤毛层的肺的深部组织中并沉积下来。这些物质如果被溶解，就会直接侵入血液,可能造成中毒。未被溶解的物质可能被吞噬细胞所吸收,它们如果是有毒的,就会杀死该细胞,造成细胞破坏。未被 (2）氮氧化物（NO 吞噬细胞吸收的物质,则侵入肺组织或淋巴结，有可能造成尘肺和其它感染。? ｘ)和光化学烟雾 一氧化氮(NO)无色、无刺激，化学性质不活泼。二氧化氮（NO２)为刺激性?气体。空气中两者可以互相氧化还原，对呼吸系统都有毒性,但NO２的毒性比NO大５倍。NO能与血红蛋白结合，从而使血液的输氧功能下降,它还会使中枢神经受损,使人痉挛或麻痹。NO急性中毒会导致肺水肿或窒息而死亡。NＯ2对眼、鼻有强烈刺激。污染环境中肺功能明显受损,经常接触可形成慢性肺气肿或肺纤维化，ＮO2对心脏、肝脏、造血器官等脏器也有损害作用。?空气中的NO，在阳光的作用下,还能与ＣO、CnHｍ等作用，生成光化学烟雾。这种烟雾对眼睛的刺激作用特别强，浓度大于０.1pｐｍ时，短时间接触就能使泪流不止，甚至头痛、呼吸障碍：浓度增加到50ppm,人有死亡的危险。 (３）一氧化碳（CO)?ＣO是无色、无臭的气体。浓度为９00ppm接触1小时,能使人头痛、眼睛呆滞;浓度在12００ｐｐm以上作用1小时，可使神经麻痹,发生生命危险。 （４）碳氢化合物（ＣnＨm)?CｎHm种类很多。如由于燃料燃烧不完全或石油裂解过程中产生的挥发性烃;又如沥青烟气中含有强致癌物质的苯并芘。这些污染物对眼、鼻和呼吸道有强烈的刺激作用， 边界层（Boundary Layer）是高雷诺数绕流中紧贴物面的粘性力不可忽略的流动薄层，又称流动边界层、附面层。这个概念由近代流体力学的奠基人，德国人Ludwig Prandtl（普朗特）于1904年首先提出。从那时起，边界层研究就成为流体力学中的一个重要课题和领域。在边界层内，紧贴物面的流体由于分子引力的作用，完全粘附于物面上，与物体的相对速度为零。 边界层又称附面层，它是指流体流经固体表面时，靠近表面总会形成那么一个薄层，在此薄层中紧贴表面的流体流速为零，但在垂直固体表面的方向（法向）上速度增加的很快，即具有很大的速度梯度，甚至对粘性很小的流体，也不能忽略它表现出来的粘性力。而在此边界层外，流体的速度梯度很小，甚至对粘度很大的流体而言，其粘性力的影响也可以忽略，流体的流速与绕流固体表面前的流速V0一样。这样就可把边界层外流动的流体运动视为理想流体运动，不考虑粘性力的影响。边界层内、外区域间没有明显的分界面，而把边界层边缘上的流体流速V x视为V x=0.99 V0，因此从固体表面至V x=0.99 V0处的垂直距离视为边界层的厚度δ。这样大雷诺数下绕过固体的流动便简化为研究边界层中的流动问题。 边界层内的流动可以是层流，也可以是带有层流底层的紊流，还可以是层流、紊流混合的过渡流。 图1 边界层结构 综上所述，边界层的特征可归结为： （1）与固体长度相比，边界层厚度很小； （2）边界层内沿边界层厚度方向上的速度梯度很大； （3）边界层沿流动方向逐渐增厚； （4）由于边界层很薄，故可近似地认为，边界层截面上的压力等于同一截面上边界层外边界上的压力； （5）边界层内粘性力和惯性力士同一数量级的； （6）如在整个长度上边界层内都是层流，称层流边界层；仅在起始长度上的是层流，而在其他部分为紊流的称混合边界层。 以上定义的边界层为速度边界层，另外在其他学科领域中对于边界层的应用还是十分广泛的，主要有温度边界层和浓度边界层。 1．温度边界层 流体在平壁上流过时，流体和壁面间将进行换热，引起壁面法向方向上温度分布的变化， 第五章边界层理论及层流边界层中的传递现象 5.1 边界层理论的要点 5.1.1 问题的提出 前述，Re∝惯性力/粘性力 当Re<1时，惯性力<<粘性力，可用“爬流”模型，略去惯性力项，N-S方程==>爬流方程（stokes近似），解决一些实际问题（沉降、润滑、渗流等），获得比较满意的结果。 但工程流动问题，绝大多数的Re很大。这时，是否可以完全略去粘性力，使Navier-Stokes方程==>Euler方程（理想流体）。但是，这样的结果与实际情况相差很大。突出的一例即“达朗倍尔佯谬（paradox）——在流体中作等速运动的物体不受阻力”。 究竟应当怎样才能正确地处理大Re数的流动呢？这个矛盾一直到1904年，德国流体学家普兰德（Prandtl）提出了著名的边界层理论（大Re数的流动中，大部分区域的惯性力>>粘性力，但在紧靠固——流边界的极薄流层中，惯性力≈粘性力），才令人满意地解决了大Re数的流动的阻力问题。后人把Prandtl 提出的流动边界层概念，推广到流动系统的传热边界层和传质边界层，从而确定传热、传质的速率以及了解有关的影响因素。还有人研究了边界层中的化学反应，解决了一些实际问题。因此，边界层理论被认为是近代流体力学的奠基石。 5.1.2 流动边界层（速度边界层） 以平板流动为例，x方向一维稳态流动，在垂直壁面的y方向上，流动可划分为性质不同的两个区域： （1）y<δ（边界层）：受壁面影响，法向速度变化急剧，du/dy很大，粘性力大（与惯性同阶），不能忽略。 （2）y>δ(层外主流层)：壁面影响很弱，法向速度基本不变，du/dy≈0。所以可忽略粘性力（即忽略法向动量传递）。按理想流体处理，Euler方程适用。 这两个区域在边界层的外缘衔接起来，由于层内的流动趋近于外流是渐进的，不是突变的，因此，通常约定：在流动边界层的外缘处（即y＝δ处），u x＝0.99u∞， δ——流动边界层厚度，δ＝δ(x)。 5.1.3 传热边界层（温度边界层) 当流体流经与其温度不相等的固体壁面时（如图，x>x0段），在壁面上形成流动边界层，同时，还会由于传热而形成温度分布，可分成两个区域：（1）y<δt（传热边界层）：受壁面影响，法向温度梯度dt/dy很大，不可忽略，即不能忽略法向热传导。 （2) y>δt（层外区域）：法向温度梯度dt/dy≈0，可忽略法向热传导。 通常约定：在传热边界层的外缘处（即y＝δt处）， t s－t＝0.99(t s－t0) ≈t s－t0 δt——温度边界层厚度，δt＝f(x)； 第五章 大气环境保护概述5.1大气环境基础知识5.1.1大气污染 1、大气的成分 地球表面附近的大气是包括颗粒尘埃在内的混合气体，其组成包括恒定的和不定的两种。 在近地层大气中有氮、氧、氩、氖、氪、氙、氢等成分，其中氮、氧、氩占大气总量的99.96％，这三种成分的含量几乎不变。大气中的不定成份主要是自然过程和人为活动的排入大气污染物质，如物质燃烧的灰份，火山爆发的尘埃，风起的灰尘以及工业、交通排出的废气等。 2、大气污染 大气污染也称空气污染，是指大气中的污染物质，当其数量、浓度、毒性以及大气中持续时间等因素的综合作用结果，可能会使某些地区的生物体的生命和人类的健康、或生产活动受到影响。 （1）大气污染源 通常把能产生大气污染物的场所、设备、装置等称为大气污染源。大气污染源总的来说有两类：一类是自然污染，如大风刮起的地面沙尘，森林火灾产生的CO2、NO2等。另一类是人类活动产生的污染物，如工矿企业、交通运输排出的废气、毒气、烟尘和放射性元素；燃料燃烧排出的碳氢化合物、CO、SO2和烟尘；另外还有散播的农药、核武器和化学武器的试验残余物等。 （2）大气污染物 大气污染物的种类和成份十分复杂。从污染物的物理性质来看，大气污染物可分为颗粒物质和气体污染物。烟尘、粉尘是固体颗粒物质，这些颗粒物质悬浮于大气中常称为气溶胶。直径大于10微米的颗粒物质叫“降尘”，它可以在离污染源较短的距离之内落到地面。直径小于10微米的叫“飘尘”，它们可以在大气中停留数小时甚至几年。 上述污染物是由污染源直接排出的，称为一次污染物。有的一次污染物不稳定，在大气中经化学反应或光化学反应，形成新的污染物，称为二次污染物。 3、大气污染对人类的危害和影响 大气污染物危害人体主要通过表面接触、呼吸、食入等途径。其对健康的危害主要表现为引起呼吸道疾病。在突然的高浓度污染物作用下可造成急性中毒。这里针对几种主要交通污染物对健康等方面的影响作简单介绍。 （1）粉尘 道路施工时会产生粉尘也叫尘埃，尘埃中粒径大于10微米的颗粒物，大多可被鼻腔和咽喉所捕集，不会进入肺泡。但粒径小于10微米的飘尘，即PM10长时间在空中飘浮，易被吸入呼吸系统。其中较小的微粒侵入到没有粘液层和纤毛层的肺的深部组织中并沉积下来。这些物质如果被溶解，就会直接侵入血液，可能造成中毒。未被溶解的物质可能被吞噬细胞所吸收，它们如果是有毒的，就会杀死该细胞，造成细胞破坏。未被吞噬细胞吸收的物质，则侵入肺组织或淋巴结，有可能造成尘肺和其它感染。 （2）氮氧化物（NOx）和光化学烟雾 一氧化氮(NO)无色、无刺激，化学性质不活泼。二氧化氮(NO2)为刺激性 气体。空气中两者可以互相氧化还原，对呼吸系统都有毒性，但NO2的毒性比NO大5倍。NO能与血红蛋白结合，从而使血液的输氧功能下降，它还会使中枢神经受损，使人痉挛或麻痹。NO急性中毒会导致肺水肿或窒息而死亡。NO2对眼、鼻有强烈刺激。污染环境中肺功能明显受损，经常接触可形成慢性肺气肿或肺纤维化，NO2对心脏、肝脏、造血器官等脏器也有损害作用。 空气中的NO，在阳光的作用下，还能与CO、CnHm等作用，生成光化学烟雾。这种烟雾对眼睛的刺激作用特别强，浓度大于0.1ppm时，短时间接触就能使泪流不止，甚至头痛、呼吸障碍：浓度增加到50ppm，人有死亡的危险。 对于实际流体的流动，无论流动形态是层流还是紊流，真正能求解的问题很少。这主要是由于流体流动的控制方程本身是非线性的偏微分方程，处理非线性偏微分方程的问题是当今科学界的一大难题，至今还没有找到一套完整的求解方案。 但在实际工程中的大多数问题，是流体在固体容器或管道限定的区域内的流动，这种流动除靠近固体表面的一薄层流体速度变化较大之外，其余的大部分区域内速度的梯度很小。对于具有这样特点的流动，控制方程可以简化。 首先，由于远离固体壁面的大部分流动区域流体的速度梯度很小，可略去速度的变化，这部分流体之间将不考虑粘性力的存在，视为理想流体，用欧拉方程或伯努利方程就可求解。 而靠近固体壁面的一个薄层——称为流动边界层，在它内部由于速度梯度较大，不能略去粘性力的作用，但可以利用边界层很薄的特点，在边界层内把控制方程简化后再去求解。 这样对整个区域求解的问题就转化为求解主流区内理想流体的流动问题和 靠近壁面的边界层内的流动问题。 第一节边界层理论的基本概念 一、边界层的定义 流体流经固体表面时，靠近表面总会形成一个薄层，在此薄层中紧贴表面的流体流速为零，但在垂直固体表面的方程（法向）上速度增加得很快，即具有很大的速度梯度，甚至对粘度很小的流体，也不能忽略它表现出来的粘性力。 （因此，流体在绕流过固体壁面流动时，紧靠固体壁面形成速度梯度较大的流体薄层称为边界层。） 而在此边界层外，流体的速度梯度很小，甚至对粘度很大的流体，其粘性力的影响也可忽略，流体的流速与绕流固体表面前的流速v0一样。可以把这部分在边界层外流动的流体运动视为理想流体运动，不考虑粘性力的影响。 边界层内、外区域间没有明显的分界面，而把边界层边缘上的流体流速v x 视为v x=0.99v0，因此从固体表面至v x=0.99v0处的垂直距离视为边界层的厚度δ。 二、边界层的形成与特点 边界层内的流动可以是层流，也可以是带有层流底层的紊流，还可以是层流、紊流混合的过渡流。 评判边界层层流或紊流的参数为雷诺数Re=vxρ/η，式中v为边界层外边界上流体流速，x为距边界层起点的距离（即流体进入平板的长度）。 第三章对流启动的影响因子分析 强对流等中小尺度天气的分析和预报历来是气象业务的难点，各种动力和热力不稳定的存在是对流发展的前提，位势和层结不稳定是强对流活动最重要的基本条件，对流能量的大小决定了对流发展的程度。因此，分析大气位势和层结不稳定、计算对流能量成为分析和预报强对流天气过程的十分重要的问题。本章着重研究了几个与强对流有关的参数并结合实例进行分析。 3．1．1边界层厚度BLD(BoundaryLayerDepth) 大气边界层是指靠近地球表面、受地面摩擦阻力影响的大气层区域。大气流过地面时，地面上的各种粗糙元都会使大气流动受阻，这种摩擦阻力由于大气中的湍流而向上传递，并随高度的增加而逐渐减弱，达到某一高度后便可忽略。此高度称为大气边界层厚度，它随气象条件、地形以及地面粗糙度等变化，大致为300-1000m。 3．1．2自由对流高度LFC(Level ofFreeConvection) 某一高度以下气层稳定，气块只能在外力作用下才能强迫抬升，当上升到这一高度后，气块温度高于环境温度，气块能从环境大气中获取不稳定能量自由上升，这个高度即为自由对流高度。在"T-logP 图上，用地面温度、气压和露点作状态曲线，它与层结曲线相交点所在的高度即为自由对流高度。 3．13对流有效位能CAPE(ConvectiveAvailablePotential Energy) 对流有效位能CAPE是从自由对流高度(气块温度超过其环境温度，气块相对于其环境是不稳定的高度)到平衡高度(环境温度超过气块的 温度，气块相对其周围环境是稳定的高度)自由对流层内累积浮力能垂直积分的指数。是判断大气是否发生对流最常用的参数。根据这种考虑，引入对流有效位能CAPE 的概念： dz Tve Tve Tv g CAPE ze zc ?-= 式中，zc 为自由对流高度，Ze 为平衡高度，Tv 为气块的虚温，Tve 为环境大气的虚温.CAPE 为在自由对流高度之上，气块可从正浮力作功获得的能量。表示大气浮力不稳定能 的大小。 3．1．4对流抑制能量CIN(Convective Inhibition) 对流抑制能量是判据边界层气块在上升过程中从稳定层到自由对流高度所傲的功，其公式为： dz T T T g CIN Zc b ?-=0' 其中Tb 是指气层的判据温度，Zc 是指自由对流高度，T 为空气温度，T ’为气块温度，该指数的物理意义是：处于大气底部的气块要能到达自由对流高度LFC(Levelof FreeConvection)至少需从其他途径获得的能量下限。 简述大气边界层中近地层的主要特点？行星边界层一般分为两层：近地层和Ekman层。近地面层是大气边界层的底层，一般为几十米，约为大气边界层高度的1/10 ，随大气边界层厚度的增加或减薄而相应变化。近地面层中，科氏力和气压梯度力的作用相对于湍流切应力可略去不计，大气结构主要依赖于垂直湍流输送。①近地层较薄，可近似认为动量、热量和水汽垂直湍流输送通量几乎不随高度变化（风向也几乎不随高度改变），各种通量近似为常值，故称为常值通量层; ②大气受地球表面的动力和热力的强烈影响，气象要素的垂直变化激烈，比边界层的中、上部更为显著；③运动尺度较小，科氏力可略去不计，风向随高度几乎无变化。在Ekman层，湍流粘性力和柯氏力及气压梯度力同样重要，三者具有相同量级，风向随高度的切变不能忽略，气象要素随高度的变化比较平缓。通常推导大气边界层基本方程的基本思想是什么？（1）边界层的基本控制方程（2）雷诺平均：把方程中的因变量展开成平均和脉动量两部分（3）求方程的雷诺平均的湍流平均变量的方程（4）利用连续性方程通量形式的方程（5）从步骤3方程中减去步骤5方程，得到偏离平均的湍流脉动量方程、方差方程和协方差方程的基础方程（6）将湍流脉动量方程乘以速度脉动量湍流通量方程（7）将基础方程乘以2倍的湍流脉动量 方差方程（湍流能量方程） 请说明流边界层的基本特征。（1）对流边界层的发展不是依赖于较强的风切变导致的动力驱动，地面输送的感热通量是热力驱动湍流能量的来源。（2）各种气象要素除了在近地面层存在明显的梯度外，由于 强烈的混合作用，对流边界层的主体部分气象要素梯度很小；在中等以上不稳定时，温度和风随高度接近均匀分布，湍流通量随高度近似线性变化。（3）对流热泡在对流边界层顶的上升冲击，引发自由大气空气团向下卷入边界层，形成了卷夹层；卷夹层以上是无湍流或很弱湍流的自由大气。（4）对流热泡尺度大、寿命长、携带的湍流能量也大，导致对流边界层内各气象属性的垂直分布比较均匀，具有整体的空间结构以及较强的时间相关。请指出稳定边界层的一般特征。（1）稳定边界层的共同特征是有逆温层，此时浮力的作用不但不能给湍流补充动能，相反，湍流微团在垂直运动中因反抗重力作功而损失动能，所以湍流能量很弱。但因有切应力的作用，湍流不会完全消失，维持在弱的水平上，仍是一个不可忽略的因子。湍流热交换过程并不占优势，而其它的热交换过程例如辐射、平流、气层的抬升及地形等的影响与湍流热交换过程的影响相当。（2）理论分析和实验事实均表明，当浮力引起的湍流动能损失达到切应力产生动能的1/5左右（通量理查孙数Rf = 0.2），湍流便会因连续不断地耗散而衰竭。稳定边界层的湍流结构在空间和时间上出现不连续，形成所谓的间歇性湍流或波与间歇性湍流共存。（3）因湍流很弱，湍涡尺度小，边界层不同层次之间的相互作用减弱，地面强迫对边界层的响应放缓。下垫表面的强制作用达到边界层顶所需的时间尺度可长达数个小时，形成分层式湍流，故边界层往往不能作为整体处理。例如，由地面参量计算的莫宁—奥布霍夫长度值不能代表边界层中、上层的情况。（4）各种特征量在边界层顶没有明显的过渡特征，难于确定层顶的位置。当湍流充 第五章 复习题 1、试用简明的语言说明热边界层的概念。 答：在壁面附近的一个薄层内，流体温度在壁面的法线方向上发生剧烈变化，而在此薄层之外，流体的温度梯度几乎为零，固体表面附近流体温度发生剧烈变化的这一薄层称为温度边界层或热边界层。 2、与完全的能量方程相比，边界层能量方程最重要的特点是什么？ 答：与完全的能量方程相比，它忽略了主流方向温度的次变化率σα22 x A ，因此仅 适用于边界层内，不适用整个流体。 3、式（5—4）与导热问题的第三类边界条件式（2—17）有什么区别？ 答： =???- =y y t t h λ（5—4） )()( f w t t h h t -=??-λ （2—11） 式（5—4）中的h 是未知量，而式（2—17）中的h 是作为已知的边界条件给出，此外（2—17）中的λ为固体导热系数而此式为流体导热系数，式（5—4）将用来导出一个包括h 的无量纲数，只是局部表面传热系数，而整个换热表面的表面系数应该把牛顿冷却公式应用到整个表面而得出。 4、式（5—4）表面，在边界上垂直壁面的热量传递完全依靠导热，那么在对流换热中，流体的流动起什么作用？ 答：固体表面所形成的边界层的厚度除了与流体的粘性有关外还与主流区的速度有关，流动速度越大，边界层越薄，因此导热的热阻也就越小，因此起到影响传热大小 5、对流换热问题完整的数字描述应包括什么内容？既然对大多数实际对流传热问题尚无法求得其精确解，那么建立对流换热问题的数字描述有什么意义？ 答：对流换热问题完整的数字描述应包括：对流换热微分方程组及定解条件，定解条件包括，（1）初始条件 （2）边界条件 （速度、压力及温度）建立对流换热问题的数字描述目的在于找出影响对流换热中各物理量之间的相互制约关系，每一种关系都必须满足动量，能量和质量守恒关系，避免在研究遗漏某种物理因素。 基本概念与定性分析 5-1 、对于流体外标平板的流动，试用数量级分析的方法，从动量方程引出边界层厚度 的如下变化关系式： x x Re 1 ~δ 解：对于流体外标平板的流动，其动量方程为： 2 21xy u v dx d y u v x y u ?+-=??+??ρρ 大气边界层是地球一大气之间物质和能量交换的桥梁。全球变化的区域响应以及地表变化和人类活动对气候的影响均是通过大气边界层过程来实现的。由于人类 生活在大气底层一大气边界层中,因此人体健康与大气环境密切相关。天气、气候的变化往往会影响到人体对疾病的抵御能力,使某些疾病加重或恶化,同时适宜的气象条件又使病毒、细菌等对人体有害的生物繁殖、传播,使人们感染而患病。在城市尤其是大城市,人口、机动车、燃煤量的增加,以及城市工业化的发展,大量生产中的废气、尘埃和汽车尾气排放到大气中加上高大建筑的增加,改变了城市的小气候,使城市在无强冷空气活动的情况下,大气扩散能力极差,造成大气质量不断恶化,从而危害到人体健康,影响人类的正常生活。因此,边界层尤其是城市边界层大气结构及其与污染物浓度之间关系的研究具有特殊重要的意义。 边界层定义为直接受地面影响的那部分对流层,它响应地面作用的时间尺度为小时或更短. 大气边界层,是指受地球表面摩擦以及热过程和蒸发显著影响的大气层。这些作用包括摩擦阻力、蒸发和蒸腾、热量输送、污染物排放,以及影响气流变化的建筑物和地形等。 边界层一般白天约为1 km,夜间大约在200 m左右,地表提供的物质和能量主要消耗和扩散在大气边界层内。 地面典型吸收率约为90%,其结果使大部分太阳能被地面吸收。 正是地面为响应太阳辐射而变暖或变冷,它依次迫使边界层通过输送过程而变化。 边界层内气流或风可以分为平均风速、湍流和波动三大类。 边界层中诸如湿度、热量、动量和污染物等各种量的输送,在水平方向上受平均风速支配,在垂直方向上受湍流支配 平均风速是造成快速水平输送或平流的主要原因。边界层中一的水平风速2~10 m是常见的。 在夜间边界层中经常观测到的波动,虽然它们只能输送少量的热量、湿度和污染物之类的标量,但在输送动量和能量方面却有着显著的作用。 许多边界层湍流是由来自地面的作用引起的,例如白天阳光充足,地面的太阳加热使暖空气热泡上升,这种热泡就是大湍涡。地面对气流的摩擦曳力使风切变得到发展,常常演变成湍流。 最大的边界层湍涡估计接近即大小约等于边界层厚度,也就是说,它们的直径可以达到100~300 m。小湍涡出现于叶面卷动和草地波状摆动中,它们要以大湍涡为能源。直径只有几毫米的最小湍涡,由于分子粘性的耗散作用,其强度非常微弱。 在边界层中,浮力是产生湍流的力的一种。由于暖空气比周围空气密度少,有正浮力,所以暖空气上升。虚位温是研究上升气流普遍采用的一个变量。在同一气压条件下,使干空气密度必须等于湿空气密度的温度就是虚位温,因此,可以用虚位温变化来代替密度变化 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=，第五章、大气环境保护概述
边界层理论1
17589第五章边界层理论及层流边界层中的传递现象
#第五章、大气环境保护概述
第五章 边界层
大气边界层
简述大气边界层中近地层的主要特点
传热学第四版课后题答案第五章
大气边界层理论
大气边界层案例分析
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