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流体力学中的湍流边界层理论与实验研究湍流边界层是流体力学中一个重要的研究领域，它涉及到流体在管道、河流、飞机机翼等表面上的流动机制。
湍流边界层的理论和实验研究对于解决工程中的湍流流动问题，提高流体的输送效率，降低能量损失具有重要的实际应用价值。
在本文中，我们将从湍流边界层的理论基础和实验研究方法两个方面来进行讨论。
一、湍流边界层的理论基础湍流边界层的研究始于19世纪末，当时人们对于纳维-斯托克斯方程的解析解进行研究，发现在一定条件下，流体在边界层内表现出湍流现象。
随后，人们提出了湍流边界层的理论模型，试图描述湍流边界层的形态和运动规律。
其中最经典的理论模型是普拉斯特契克湍流模型和抛物型方程模型。
普拉斯特契克湍流模型是基于冲击动力学理论提出的，它将湍流边界层的运动视为一系列固定参数的二维振荡量，通过分析这些振荡量的湍流动力学特征，得出了湍流边界层的平均速度和湍流能量的表达式。
普拉斯特契克湍流模型的提出，为湍流边界层的理论研究提供了重要的参考。
抛物型方程模型是湍流边界层研究的又一重要成果，它采用了数学上的偏微分方程来描述湍流边界层的运动规律。
通过求解这些偏微分方程，人们可以得到湍流边界层的速度、梯度和流动的涡旋结构等信息，为湍流边界层的实际应用提供了重要的理论依据。
二、湍流边界层的实验研究方法湍流边界层的实验研究是湍流边界层研究的重要组成部分，它通过实验仪器和测量手段来获取湍流边界层的宏观和微观参数，验证理论模型的准确性，探究湍流边界层的运动机制。
目前，湍流边界层的实验研究主要包括以下几个方面：1. 测量技术：湍流边界层的测量需要较高的精度和灵敏度，因此需要采用先进的测量技术。
常用的湍流边界层测量技术包括激光多普勒测速仪、热线和冷线测速技术、压力传感器等。
2. 模型设计：湍流边界层的实验研究通常需要设计相应的模型和装置。
这些模型和装置的设计应能够模拟真实流动情况，保证实验结果的准确性和可靠性。
3. 数据处理：湍流边界层的实验数据通常需要进行复杂的数据处理和分析。
湍流的现代实验研究方法作者：徐斌来源：《沿海企业与科技》2009年第09期[摘要]湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动，其复杂性使得其研究工作进展缓慢。
随着现代电子计算机技术和实验测量方法的进展，湍流的实验研究方法取得了重大进展。
文章简要介绍在热能工程领域使用热线热膜风速仪、激光多普勒风速仪、相位多普勒风速仪和粒子图像测速仪等测量技术对湍流进行测量和研究的应用。
[关键词]湍流；实验研究；热能工程[作者简介]徐斌，广东省电力设计研究院，广东广州，510663[中图分类号]TP27[文献标识码]A[文章编号]1007-7723(2009)09-0013-0003一、前言湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动，其各种物理参数都随时间与空间随机变化。
从物理结构上说，可把湍流看成是由各种不同尺度的涡旋叠合而成的流动，这些旋涡的大小及旋转轴的方向分布是随机的。
流体内部共尺度涡旋的随机运动构成了湍流的一个重要特点：物理量的脉动。
对湍流的研究已超过一百年了，人们发展出了如统计理论、边界层计算理论等多种湍流基础理论。
但因为湍流物理量的脉动特性，过去通过实验只能测得其时均值，无法测得其脉动值，所以人们至今未能掌握湍流的基本机理。
随着现代电子计算机技术和实验测量方法的进展，湍流的实验研究得到了重大进展。
特别是热线热膜风速仪、激光多普勒风速仪、相位多普勒风速仪和粒子图像测速仪等测量技术的应用，使得测量湍流流动中各物理量的脉动值成为可能。
这些先进的湍流实验研究方法，不仅被用于湍流基础理论研究，也被大量应用在工程领域的湍流流动测量，能更好地解决工程实际问题。
本文简要介绍热线热膜风速仪、激光多普勒风速仪、相位多普勒风速仪和粒子图像测速仪四种湍流实验仪器的原理及其在热能工程领域对于湍流测量和研究的应用。
二、热线热膜风速仪(HWFA)热线或热膜风速仪的敏感元件是一根细金属丝探针或敷于玻璃材料支架上的一层金属薄膜元件。
流体力学中的粘滞与湍流现象研究流体力学是物理学的一个重要分支，研究的是流体在运动中的性质和规律。
在流体力学中，粘滞和湍流现象是两个重要的研究方向。
粘滞是指流体在内部阻力的作用下，抵抗其内部分层运动的现象。
当我们观察到一滴水缓慢地滴落在地面上时，不难发现它的形状变化十分缓慢。
这是因为水的粘滞特性决定了它对于外力的抵抗能力。
如果我们将手指轻轻地浸入水中，当我们快速抬起手指时，水会留在我们的手指上，这是因为粘滞的作用使得水跟随着手指一起运动。
这种粘滞现象在许多日常生活中都有体现，比如在涂鸦时，画笔在画纸上移动，颜料就会随着画笔而移动。
流体的粘滞性质和其分子结构与相互作用有关。
当流体分子之间的作用力较强时，流体的粘滞性就会增加。
比如，聚合物溶液的粘滞性就比普通溶液要大。
此外，温度也会对流体的粘滞性产生影响，一般来说，温度越高，流体的粘滞性越低。
流体的粘滞性决定了流体在管道中流动时的阻力，对于液体和气体的输送、管道的设计等都有重要的影响。
除了粘滞性，流体力学中还研究了湍流现象。
湍流是指流体在高速运动中产生的混乱和不规则的流动状态。
在日常生活中，我们常常可以观察到湍流现象。
比如，当水从水龙头中流出时，水流会产生湍流现象，形成水流的剧烈搅拌和涡流。
又如，当我们开车行驶在高速公路上时，空气流经车身和胎纹引起紊乱，形成湍流。
湍流现象的研究对于工程领域具有重要意义。
湍流会引起能量损失和阻力增加，对于管道输送、飞行器设计等都会带来不利影响。
而且，湍流现象的数学描述也非常复杂，迄今为止，仍然有很多问题尚待解决。
因此，科学家们一直在努力研究湍流现象，希望能够找到湍流现象的规律和控制方法。
近年来，随着计算机技术的不断进步，数值模拟成为了湍流研究的重要手段之一。
研究人员通过对流体动力学方程进行数值求解，可以模拟出湍流发展的过程。
这种方法不仅可以加深对湍流物理本质的理解，还可以为工程应用提供参考。
另外，实验研究也是湍流研究的常见方法之一。
流体力学中的层流与湍流现象研究流体力学是研究流体运动的科学，主要包括液体和气体的运动原理、力学特性以及相应的数学模型和解析方法。
在流体力学中，层流与湍流是两种不同的流动形态，它们具有不同的特点和研究方法，对于理解流体运动的规律和应用于工程实践具有重要意义。
一、层流现象的研究层流是指在管道中，流体以各层等速度平行流动的现象。
在层流中，流体分子之间的相互作用力较大，流动轨迹呈现规律性，流体分子排列整齐。
层流的运动过程可以通过牛顿第二定律和质量守恒定律进行描述和分析。
层流的研究主要关注流体分子之间的相互作用力和流动轨迹以及流动速度的分布情况。
通过分析这些因素，可以推导出层流中的流体速度分布和阻力特性，并对层流的流动规律进行数学建模和仿真模拟。
通过实验和数值模拟，可以研究层流的特性和流动现象，为工程应用提供理论依据。
二、湍流现象的研究湍流是指流体运动过程中呈现出杂乱无序的流动现象。
在湍流中，流体分子之间的相互作用力较小，流动轨迹呈现随机性和不规则性，流体分子排列杂乱无序。
湍流的运动过程无法用牛顿第二定律和质量守恒定律简单描述，通常需要较为复杂的数学工具和数值模拟方法。
湍流的研究主要关注流体分子之间的湍动能量转移和湍流边界层形成的机理。
湍流的形成与流动速度、粘度、几何形状等因素密切相关。
通过实验和数值模拟，可以研究湍流的特性和流动现象，为湍流的控制和优化提供理论依据。
三、层流与湍流的转变层流与湍流并不是完全独立的两种流动形态，而是一种连续转变的过程。
随着流体速度和粘度的变化，层流与湍流之间会发生相互转变。
在某些条件下，流体可以从层流转变为湍流，而在其他条件下，湍流也可以转变为层流。
层流与湍流的转变通常称为层流失稳过渡到湍流。
这一过程与雷诺数有关，雷诺数越大，层流失稳过渡到湍流的机会越多。
层流失稳过渡到湍流的机制很复杂，涉及流体的惯性效应、摩擦效应和压力梯度等因素。
研究层流与湍流的转变对于理解流体运动的规律和优化工程设计具有重要意义。
高速流体力学中的湍流现象研究湍流是流体力学中一个复杂而普遍存在的现象，广泛应用于各个领域，包括工程、天气、海洋、环境等等。
在高速流体力学中，湍流现象对流动的影响尤为明显，研究湍流现象可以帮助我们更好地理解流体在高速流动中的行为，并设计出更有效的工程解决方案。
本文将探讨高速流体力学中的湍流现象及其研究进展。
首先，让我们来了解一下湍流的基本概念。
湍流是指在流体运动时，流速和压力等物理量的瞬时变化存在随机性和不规则性的流动状态。
相比于层流，湍流流动的速度变化更加剧烈，流动方向也更加混乱。
湍流的产生可以归因于流体运动中的惯性力和黏性力之间的相互作用。
当惯性力占主导作用时，流体会形成湍流。
在高速流体力学中，湍流现象的研究具有重要的理论和实际意义。
一方面，高速流动中的湍流现象不仅会增加能量损耗，还会导致流体中的压力和温度等物理量分布不均匀，影响流体运动的稳定性。
另一方面，湍流现象还可能引起水力或气动设备的振荡和噪声，对设备的寿命和性能造成负面影响。
因此，深入研究高速流体中的湍流现象，可以帮助我们更好地优化工程设计、提高能源利用效率和减少环境污染。
在湍流现象的研究中，数值模拟和实验是两种常用的方法。
数值模拟通过在计算机上建立湍流的数学模型，模拟流体的流动过程，可以提供湍流现象的详细信息和流场分布。
然而，数值模拟也有其局限性，比如计算所需的时间和计算资源较大，对初始和边界条件的准确性要求高等等。
因此，为了验证数值模拟结果的准确性，实验研究也是不可或缺的。
实验可以通过在实际装置或模型上测量流动参数和观察流动行为，来获取湍流的实际数据。
过去几十年来，湍流现象的研究取得了显著进展。
通过理论分析、数值模拟和实验研究，我们对湍流的理解逐渐深入。
在高速流体力学中，湍流现象的研究主要关注以下几个方面：首先，湍流传输的研究。
湍流传输是指在湍流流动中，质量、动量、能量和物质等的传输过程。
湍流传输的研究对于工业和环境领域的流体传输和能量转换有重要意义。
湍流turbulent flow理论形成对湍流现象进行实验和理论研究由O.雷诺首开其端,至今已有100多年。
关于层流向湍流状态的转变,雷诺认为这是层流稳定性问题。
20世纪30年代,由德国L.普朗特学派的W.托尔明通过计算得到平板边界层中层流失去稳定性时的临界雷诺数。
对湍流运动规律的研究，遵循两条基本途径：①研究时均运动规律，形成了湍流半经验理论；②研究脉动运动规律，形成了湍流统计理论。
在湍流半经验理论方面，法国科学家J.布森涅斯克最先于1877年提出涡流粘度理论，其后1925年普朗特提出混合长理论（亦称动量传递理论），还有1930年T.卡门提出的相似理论和1932年G.I.泰勒提出的涡量传递理论等。
在湍流统计理论方面，首先是泰勒（1935），后来有卡门（1938）和..科尔莫戈罗夫（1941）等著名科学家，用统计方法考察湍流，为湍流统计理论奠定了基础。
1941年,柯尔莫戈罗夫提出局部各向同性概念他认为实际流动总有边界的影响，因此受边界影响较大的大尺度涡旋的运动不可能是各向同性的，而受边界影响较少的小尺度涡旋则可能是各向同性的。
湍流数值计算numerical computation of turbulent flow用合适的湍流模式和数值方法并运用高速电子计算机算出湍流参量的方法。
它主要有两种:平均方法和数值实验。
近年来，在这两种方法的基础上发展出大旋涡模拟。
平均方法这是工程中常用的方法，其基本原理是：将湍流瞬时速度表示为平均速度与脉动速度之和，并将描述湍流的基本方程纳维－斯托克斯方程对时间取平均，得到描述流体平均运动的控制方程──雷诺方程。
此方程同一般流体运动方程基本一致，但它除了具有通常的流体粘性应力以外，还出现湍流特有的雷诺应力。
这种应力实质上是由脉动速度分量形成的。
因此，雷诺方程不仅包含流体平均速度，而且包含脉动速度。
这样，基本方程中未知量的数目超过了方程本身的数目，湍流平均运动问题无法求解。
流体流动中的湍流动力学研究摘要湍流是流体流动中常见的一种流动状态，它具有复杂的动力学特性和不可预测性。
湍流动力学是研究湍流的产生、演化和控制规律的学科，对于理解流体力学中的复杂现象和优化流体运动至关重要。
本文综述了流体流动中湍流动力学研究的主要内容和研究方法，包括湍流产生机制、湍流表征方法、湍流模拟和湍流控制等方面。
通过对湍流动力学的深入研究，有望揭示湍流的本质规律，并为湍流控制和流体工程应用提供理论和方法支持。
1. 引言流体流动是自然界和人工系统中广泛存在的一种现象，而湍流则是流体流动中常见的一种流动状态。
与稳定流动相比，湍流具有更为复杂的动力学特性和不可预测性，给流体力学研究和工程应用带来了很大挑战。
湍流动力学是研究湍流的产生、演化和控制规律的学科，对于理解流体力学中的复杂现象和优化流体运动至关重要。
2. 湍流产生机制湍流的产生涉及到流体流动中的各种力学过程，包括非线性扰动的产生和扩大、能量的级联转移、湍流尺度的形成和衰减等等。
目前，湍流产生机制的研究主要基于Navier-Stokes方程的数学分析和实验观测，以及计算流体力学中的数值模拟方法。
研究认为，湍流产生机制是一个复杂的非线性过程，受到多个因素的相互作用影响，包括流体的性质、流动的几何形状和边界条件等。
3. 湍流表征方法湍流的复杂性和不可预测性使得湍流的表征成为湍流动力学研究的核心问题之一。
湍流的表征方法通常包括统计平均方法、相关函数和功率谱密度等。
统计平均方法通过对湍流中各个物理量的时间平均或空间平均，来描述湍流的平均特性。
相关函数用于描述湍流中不同位置的物理量之间的相关性。
功率谱密度则用于分析湍流中各个湍流尺度对能量的贡献。
4. 湍流模拟湍流模拟是湍流动力学研究中的一种重要方法，通过数值计算模拟来揭示湍流的演化和流动规律。
常用的湍流模拟方法包括直接数值模拟(Direct Numerical Simulation, DNS)、大涡模拟(Large Eddy Simulation, LES)和雷诺平均Navier-Stokes 方程(RANS)等。
湍流的理论与分析湍流是一种复杂的流动形式，并且广泛存在于自然界和工程实践中。
对湍流的理论研究和分析不仅有助于深入理解流体现象，还可以为湍流控制和能源利用等方面提供支持。
本文将从湍流的定义、产生机理、湍流统计理论和湍流模拟等方面进行探讨。
一、湍流的定义湍流是指一种相对瞬态的流体运动状态，其中流体的速度和方向发生剧烈变化，造成流体的混合和扰动，呈现出随机不规则的涡动结构。
与层流（稳态流动）相比，湍流的运动特征更加复杂，无法用简单的数学公式描述。
湍流的主要特征为不规则、随机、涡动等。
二、湍流的产生机理湍流的产生机理复杂，其中包括传统的机械湍流、自然湍流、边界层失稳等多种因素。
机械湍流是由于固体物体运动时与周围介质相互作用产生的湍流现象，如风力机翼片和涡轮机叶片的湍流。
自然湍流是由于自然界中各种复杂流动引起的，如河流、海洋和大气的运动等。
边界层失稳是当涡旋从高速的流动区进入低速的流动区时产生的，例如水流从管道进入膨胀段时发生的湍流现象。
三、湍流统计理论湍流统计理论是对湍流运动规律的理论分析，是研究湍流基本性质和湍流现象的一种方法。
湍流统计理论中有两个重要的概念，一个是湍流的集成时间，另一个是湍流脉动，这两个概念分别给出了湍流时间与空间扰动中的统计特征。
其中湍流的集成时间是指机械能向湍流能转化和湍流能转化为机械能时所需的时间因子，而脉动是指在一个给定点的流动路径上，流体参数波动的相对不稳定性。
四、湍流模拟湍流模拟是一种基于数值计算的湍流研究方法，主要有两种方式：直接数值模拟（DNS）和大涡模拟（LES）。
直接数值模拟是对湍流运动的一种高精度的数值计算方法，它通过离散化流动中的微小物理尺度，运用数值方法以求解流场运动方程，得到高精度的湍流场数据。
但DNS需要的计算量庞大，计算成本高昂。
大涡模拟是在保留湍流中大尺度涡旋信息的同时，模拟和模拟所得的速度与涡旋脉动能谱于实验结果的吻合程度。
而LES所需要的计算量较之DNS低，同时保留的流场尺度也比DNS更大，能够得到更加直观的湍流现象展示。
1.湍流简述:1.1 湍流概念湍流是流体的一种流动状态。
当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流；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，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，有垂直于流动轴线方向的分速度产生，这种运动称为湍流。
湍流的本质是紊乱的浑沌的,但是湍流也不是完全随机的,因为它也服从流体运动的基本方程组。
如果假设某一个速度分量是完全随机的，这其余的两个分量一定会由三大守恒定律限制其脉动的范围。
在近三十年来的试验研究发现，在湍流混合层和边界层中都存在拟序结构，它们都以大尺度漩涡运动为特征。
1.2湍流能量级联过程为了描述完全发展了的湍流运动的物理过程，常假设流动是由许多尺寸完全不同的、杂乱堆集着的漩涡形成的。
旋涡的最大尺度与流动的整个空间有相同的量级，旋涡的最小尺度则由需要它耗散掉的湍流能量确定。
1.3湍流统计理论人们普遍认为纳维-斯托克斯方程组可用于描写湍流，而纳维-斯托克斯方程组的非线性使得用解析的方法精确描写湍流的三维时间相关的全部细节变得极端困难，甚至基本不可能。
退一步说，如果郑能求得这样的解，在实践问题上直接使用这个解也并不都是必要的，应为人们关心的仍是其总效、平均的性能，这些情况决定了对湍流的研究主要采用统计的、平均的方法。
湍流的统计过去主要沿两个方向发展：一个是湍流相关函数的统计理论，另一个是湍流平均量的半经验分析。
湍流的半经验理论确是另一种情况。
人们对于工程技术上迫切需要解决的问题，如管流，边界层和自由湍流等，惊醒了大量实验研究以确定湍流的特征参数，在这些实验的基础上形成湍流的半经验理论，这些理论研究将数据系统化并可以来预估类似条件下的结果1.4湍流模型由于湍流瞬时运动的极端复杂性，其不可能有一个准确解。
我们主要关心的仍是其平均参数。
湍流现象原理湍流现象是流体力学中的一个重要现象，它普遍存在于自然界和工程实践中。
湍流现象的原理可以通过多种方法解释，其中最常见的是雷诺平均的观点。
在流体力学中，流动可以分为层流和湍流两种状态。
层流是指在流体中，流动速度和方向都保持稳定，流线呈平行排列的状态。
而湍流则是指流体中存在着不规则的速度和方向变化，流线纷乱交错的状态。
湍流现象的出现主要是由于流体流动中的不稳定性。
湍流现象的原理可以通过雷诺平均的观点来解释。
雷诺平均是一种对流体流动进行平均的方法，它认为湍流现象是由于流体中的各个微观涡旋的相互作用而产生的。
在流体中，存在着各种不同尺度的涡旋结构，它们以不同的速度和方向运动，相互之间发生相互作用和耗散。
这些涡旋的运动和相互作用导致了流体中的速度和方向的变化，形成了湍流现象。
湍流现象的发生需要满足一定的条件。
首先，流体的速度必须达到一定的临界值，称为临界雷诺数。
当流体速度低于临界雷诺数时，流动呈现层流状态；当流体速度超过临界雷诺数时，流动呈现湍流状态。
其次，湍流现象的发生还受到流体的黏性、流动的几何形状和边界条件等因素的影响。
湍流现象在许多领域都有重要的应用。
在工程实践中，湍流现象常常会对流体的传热、传质和阻力等性质产生影响。
例如，在石油工业中，湍流现象对管道输送能力的计算和油井生产的优化具有重要意义。
在天气预报中，湍流现象对大气运动的模拟和预测也具有重要影响。
为了更好地理解和控制湍流现象，科学家们进行了大量的研究和实验。
通过数值模拟和实验观测，他们揭示了湍流现象的一些基本规律，例如湍流的能量级联、湍流的统计性质和湍流的尺度结构等。
这些研究成果为湍流现象的理论和应用提供了重要的依据。
湍流现象是流体力学中的一个普遍现象，它的原理可以通过雷诺平均的观点来解释。
湍流现象的发生受到多种因素的影响，它在自然界和工程实践中具有重要的应用价值。
通过对湍流现象的研究，科学家们不断深化对流体流动的理解，为湍流现象的控制和应用提供了重要的支持。
湍流的理论与实验研究湍流的理论与实验研究湍流是流体力学界公认的难题，被认为是经典物理学中最后一个未被解决的问题。
自然界和工程领域的绝大多数流动都是湍流，因此湍流研究具有重大意义。
近年来，随着实验测量技术和数值模拟能力的不断增强，学术界对高雷诺数和高马赫数湍流有了许多新的认识。
我国科学界也结合国家重大战略需求和学科发展前沿，分析国际上湍流研究的特点、现状和发展趋势，希望对湍流产生机制和流动本质进行深入研讨，加强与航空、航天、航海等相关单位和部门间的沟通与联系，推动湍流研究的发展。
针对国内学科发展现状，尤其是实验研究相对薄弱的特点，国家自然科学基金委员会数理科学部、工程与材料科学部和政策局，于2014年3月20-21日在北京联合举办了第110期双清论坛，论坛主题为“湍流的理论与实验研究”。
来自全国15个单位的近50位流体力学与工程领域的专家学者应邀出席。
与会专家通过充分而深入的研讨，凝练了该领域的重大关键科学问题，探讨了前沿研究方向和科学基金资助战略。
本期特刊登此次论坛学术综述。
一、湍流研究的重要意义自1883年雷诺（Reynolds）发现湍流以来，湍流问题的研究一直困扰着众多学者。
著名物理学家费曼曾说，湍流是经典物理学中最后一个未被解决的难题；2005年《科学》杂志在其创刊125周年公布的125个最具挑战性的科学问题中，其中至少两个问题与湍流相关。
在我们日常生活中，湍流无处不在。
自然界和工程应用中遇到的流动，绝大部分是复杂的湍流问题。
在自然界，从宇宙星系的时空演化，到星球内部的翻滚流动，从大气环流的全球运动，到江河湖泊的区域流动，都有湍流的身影。
在工程领域，从陆地、海洋、空天等交通运载工具，到原子弹、氢弹、导弹、战斗机、舰船等国防武器的设计；从全球气象气候的预报，到地区水利工程的设计；从传统行业如叶轮机械、房桥建筑、油气管道，到新兴行业如能源化工、医疗器械、纳米器件的设计，都需要了解和利用湍流。
因此，湍流流动的研究不仅仅是一个学科发展的问题，更具有重要的工程应用价值。
建立起一整套完整的理论体系描述其动力学特性，是湍流研究的核心。
近几年来，在高雷诺数壁湍流研究中，发现了大量和传统认识不一致的新现象。
尤其是在壁湍流中发现大尺度和超大尺度拟序结构，以及在高雷诺数下湍流脉动量统计特性中发现第二个均方根峰值等方面的最新研究成果，又一次激发了人们对湍流生成和演化问题探索的兴趣。
对湍流转捩问题的进一步研究，希望通过寻找新的数学物理方法能准确地刻画转捩机理，为工程中合理预测转捩位臵提供理论依据。
在可压缩流动领域，由于航空航天科技发展的紧迫需求，人们正面临着与高速飞行相关的一系列复杂可压缩湍流问题，涉及激波、高雷诺数流、非定常流、湍流、旋涡分离流、激波/边界层干扰等，这些也是现代流体力学重要的基础研究领域。
以周培源先生为代表，我国流体力学家在湍流研究领域取得了丰硕的成果，在湍流统计理论、层次结构、拟序结构及间歇现象等研究方面产生了重要的国际影响，在湍流模式理论、标量湍流输运特性等方面取得了重要进展，同时结合国家重大需求，在高超声速边界层转捩位臵预测方面取得了一些成果。
尽管湍流研究取得了长足的进展，但是仍然不能满足工程应用的需求。
在2005年《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，“可压缩湍流理论”被列为“面向国家重大战略需求的基础研究——航空航天重大力学问题”的一个重要的研究方向，同时也是“大型飞机工程”等三项重大科技专项急切需求的基础研究支撑。
在2007年，庄逢甘、顾诵芬、周恒、张涵信、崔尔杰5位院士作为主席以“航空航天工程应用中的湍流与计算流体力学（CFD）研究——现状、问题与发展对策”为主题发起了第308次香山科学会议，指出湍流是制约计算流体力学发展和新型飞行器研究的“瓶颈”问题。
2010年，国家自然科学基金委员会和中国科学院联合发布的《未来10年中国学科发展战略?力学》中也将“可压缩湍流”列为优先发展领域。
对于实验技术的研发并将其应用于湍流研究中也越来越受到研究者的重视。
2006年荷兰代尔夫特大学的学者推出了一种全新的层析粒子图像测速（PIV）实验技术，使得针对非定常复杂流动进行全流场测量的体PIV技术进入真正的实用研究阶段。
该技术被很快地应用于流体力学的诸多领域，在壁湍流、自由剪切流动、生物流动、对流、可压缩流动、两相流以及微尺度流动等方面的应用成果层出不穷。
而时间解析的层析PIV数据还能够通过N-S方程还原与速度场耦合的三维压力场，这使得这项实验技术能应用于气动声学的研究，大大拓展了传统实验测速手段的应用范围。
由于湍流呈现出复杂的流动特性，这对传统的实验测量技术提出了挑战，需要在定量测量技术方面进行创新。
为此，在国家自然科学基金“十二五”发展规划中，力学学科明确指出要“着力扶持实验力学新方法和新技术研究”。
在生物医学研究中，针对人体器官内的复杂流体力学问题，通过体外实验室模拟的研究是一个在病理、药动力学和人造器官研究方面都具有重要价值的方向，“体外诊断技术产品开发”重大项目被列为“十二五”863 计划生物和医药技术领域的支持重点。
在现代空气动力学的研究中，对大型飞机和先进飞行器的研发，往往要求它们具有优秀的气动特性和可靠性，而高性能航空航天飞行器的发展，需要对非定常复杂流动机理及其控制有深入的了解。
因此，国家重大科技专项中的大型飞机专项，将“试验系统的设计、开发和制造”作为一个研发重点。
此外，973 计划也将“科学实验与观测方法、技术和设备的创新”列为重点研究方向。
由此可见，先进的流场测量系统不仅是揭示流体力学物理现象所必须的重要技术手段，而且对航空航天、生物医学等相关领域的技术进步具有重要的支撑作用。
近几十年，国内外在湍流研究中确实取得大的进展，同时也越发感受到湍流机理研究对转捩预测、高超声速飞行器稳定性和热防护、燃烧以及沙尘暴预防等实际工程应用有着非常重要的意义。
因此，有必要对湍流基本问题和实验研究手段进行深入交流，研讨未来的研究方向及思路，为湍流的基础研究和国家需求制定战略规划，推动湍流研究的发展。
二、湍流理论与实验研究的现状和发展趋势（一）湍流的生成与演化湍流产生及层流-湍流转捩的基础问题包括：●转捩是否发生，能否模拟转捩，转捩能否控制并加以利用；●湍流转捩机理研究如何与相关应用研究结合起来，实现湍流转捩的预测和控制；●在探索湍流起源演化发展过程中，流动失稳结构的研究是一个核心内容；稳定性理论通常被用来研究流动结构失稳的机制，数值计算被更多地用于探索失稳结构的时空演化特性，而加强实验研究有助于验证理论和计算结果，揭示新的物理现象。
边界层中湍流的生成过程实际就是转捩过程，即流动的失稳。
转捩首先是由于稳定性的破坏产生的，线性稳定性理论是经典的理论，但转捩过程中不稳定性的发展呈现出非线性特征。
由于稳定性的破缺造成的分叉导致模态维数的增长，这是流动从层流走向湍流的必经之路。
现有的数学物理方法能否描述这种非线性和自由度不断增长的过程是一个重要的研究课题。
通过长期对转捩规律的认识，流体力学界认为转捩是一个确定性的过程，有普适的转捩发展规律和判据；转捩也是流动从简单到复杂的演化过程，但转捩的产生是否仅仅是一个由局部因素主导的过程还不得而知。
在这个过程中，低维动力系统的行为是否与高维的流体运动之间存在某种相似性，而这种相似性是建立湍流转捩判据的依据。
同时，这种相似性可以推广至湍流与低维动力系统之间的相似，这也是利用混沌等低维非线性动力系统手段研究湍流的依据。
因此，转捩的研究将带动整个流体力学方法和理论的发展。
转捩的感受性问题是预测转捩所必须解决的问题。
对转捩问题进行研究，其最主要的需求来自航空航天领域。
在高马赫数空天飞行器的研制中，气动热问题是非常突出的。
在高空稀薄大气的环境和边界层中温度较高的条件下，高超声速飞行器雷诺数并不算高，这时流动在层流和湍流之间转化。
由于湍流对动能的耗散远大于层流，一旦发生湍流，就意味边界层中温度的急剧上升，必须采取必要的热防护措施。
而热防护措施如烧蚀等会增加负载并影响气动外形，因此精确地预测转捩及其发生位臵对于高超声速气动热问题是至关重要的。
另外，在超燃发动机中，燃料与空气的混合并进行充分燃烧一直是难题之一，如果进入发动机进气道的气流是湍流，将大大增加燃料和空气的掺混。
对于大型飞机的设计，湍流的产生也是非常重要的研究。
湍流的摩阻大于层流，采用层流机翼将能够减少摩阻。
而层流机翼的设计就需要准确预测湍流转捩的发生。
在高超声速边界层的流动中存在第二模态，因此其稳定性特性和低速边界层有本质区别。
可压缩湍流转捩过程中，第一模态和第二模态的演化及其相互作用是建立高马赫数转捩判据的出发点，两者的演化及其相互作用规律以及体积粘性系数在流动转捩中发挥的作用是研究重点。
在大气和海洋的研究中也会有湍流问题，湍流状态下对物质、热量的输运和聚集方式都会有变化，大气湍流对污染物的扩散和聚集都有重大影响。
因此，需要掌握海洋和气象中湍流的产生和发展规律。
（二）可压缩湍流模拟和机理研究高马赫数和高雷诺数可压缩湍流是一种多过程和多尺度的复杂流动，通常表现出以下显著的流动特点：●由于高马赫数表征的强压缩性，流场中出现非定常随机激波；●在高雷诺数下流体剪切生成的湍流场具有时间-空间多尺度特性；●具有高温效应导致的强热力过程；●速度场的剪切部分和胀压部分具有强的耦合作用，与热力学量之间的相互作用也是非线性的。
由于航空航天科技发展的紧迫需求，人们正面临着与高速飞行相关的一系列复杂可压缩湍流问题，涉及激波、高雷诺数流、非定常流、湍流、旋涡分离流等，这些也是现代流体力学的重要基础研究领域。
事实上，可压缩湍流广泛存在于超声速和高超声速飞行器的外流、内流和部件绕流中，高速飞行器外流及其推进系统内流、飞行器高效气动性能的内外流一体化设计都与可压缩湍流及其相关的热力耦合特性密切相关。
针对航空航天科技工程中一些具有复杂流动现象的典型可压缩湍流问题目前取得了大量的研究成果，例如，利用色散最小、耗散可控格式研究了模型缩比（雷诺数）效应对高超进气道流动特性影响，讨论了激波/边界层干涉与转捩过程相互作用；约束大涡模拟方法成功地用于我国大客机全机外形的流动模拟、超声速和高超声速边界层的流动转捩模拟等；大涡模拟研究了失稳波激励下射流的湍流噪声，通过分析声源和远场噪声间的关联性得到了不同流动区域对远场噪声贡献的差异，并对混合层噪声进行了控制研究；对运动激波与边界层相互作用、跨声速湍流绕流、超声速反向喷流和横向射流特性等具有激波、湍流和旋涡分离等复杂流动问题的数值模拟也取得了丰富的研究成果。
发展新型高速飞行器必须开展与高超声速飞行相关的可压缩湍流机理研究，主要内容包括：●湍流形成机理方面，对超声速/高超声速条件下的湍流现象取得认识，对湍流的影响因素和产生机理进行研究；●流动控制方面，建立基于湍流机理的流动控制方法，进行湍流抑制或增强，达到对流动分离和非定常流动进行控制的目的；●开展可压缩湍流模式的数值模拟及试验验证研究，准确预测高速飞行器的摩擦阻力和气动热环境。
