第32卷第3期电子科技大学学报V ol.32 No.3 2003年6月 Journal of UEST of China Jun. 2003 大气湍流引发图像畸变的校正研究 钱雪彪*刘永智 (电子科技大学宽带光纤传输与通信系统技术国家重点实验室成都 610054) 【摘要】用CCD(电荷耦合器件)拍摄远距离目标时，大气湍流使得图像发生畸变，导致CCD无法有效的用于远距离目标的识别与监控。由此该文分析了大气湍流的原理及对图像的主要影响，提出了克服大气湍流影响的有 效方法，实验证明，取得较好的效果。 关键词电荷耦合器件; 图像传感; 大气湍流; 图像畸变; 图像校正 中图分类号TN911.73 文献标识码 A Research of Correct Image Distortion Caused by Atmosphere Turbulence Qian Xuebiao Liu Yongzhi (State Key Laboratory of Broadband Optical Fiber Transmission and Communication Networks, UEST of China Chengdu 610054) Abstract The image will be distorted when we take the object’s picture with CCD at long range because of atmosphere turbulence. We can’t availably recognize and monitor long distance object for this reason. This article explained the theory of atmosphere turbulence and the main affection to image caused by atmosphere turbulence. The solution was given to correct image distortion. The effect of the solution is proved by experiment. Key words charge coupled device; image sense; atmosphere turbulence; image distortion; correct 在传感领域基于(charge coupled device，CCD)的图像传感系统是当前研究的一大热点，该系统使用CCD 摄取目标图像，通过图像处理得到所需信息，具有非接触、信息量大以及灵敏度高等优点，已经在图样识别、几何尺寸测量、位置测量等方面得到了广泛应用。但是到目前为止其应用都局限于短距离目标监测，而在大桥形变、山体滑坡等远距离监控领域却一直无法得到广泛的开展，这主要是由于CCD在获取远距离目标图像时受到大气湍流的影响，所得图像存在畸变，不能准确的再现目标的各种属性，会给最终的监测结果带来较大的误差。因此研究从受大气湍流影响的低质量图像中准确提取有用信息，并且有效克服大气湍流带来的噪声和误差是拓展CCD在远距离目标高精度监控领域应用的关键，具有相当重要的意义。本文将对大气湍流的成因及由其引发的图像畸变进行了深入的分析，提出了克服大气湍流影响的有效方法。 1 大气湍流效应对图像的主要影响 在大气中，任一点运动速度的方向和大小时刻发生着不规则变化，产生了各个大气分子团相对于大气整体平均运动的不规则运动，这种现象称为大气湍流[1]。大气湍流会引起空气中任意位置折射率的随机变化，导致光束在同一路径的空气中传播却有着不同的折射率，使得接收到的信号存在着闪烁现象。由湍流引起 2002年12月24日收稿 * 男 24岁博士生主要从事光通信与光传感方面的研究
大多数飞行器都是在高Re数下飞行，表面的流态是湍流。为了准确地确定湍流流态下的摩阻、热流，湍流成为一个重要而困难的研究课题。 （一）DNS 目前处理湍流数值计算问题有三种方法，第一种方法即所谓直接数值模拟方法（DNS方法），直接求解湍流运动的N-S方程，得到湍流的瞬时流场，即各种尺度的随机运动，可以获得湍流的全部信息。随着现代计算机的发展和先进的数值方法的研究，DNS方法已经成为解决湍流的一种实际的方法。但由于计算机条件的约束，目前只能限于一些低Re数的简单流动，不能用于工程应用。目前国际上正在做的湍流直接数值模拟还只限于较低的需诺数(Re～200)和非常简单的流动外形，如平板边界层、完全发展的槽道流，以及后台阶流动等。用直接数值模拟方法处理工程中的复杂流动问题，即使是当前最先进的计算机也还差三个量级。 （二）LES 另一种方法称做大涡模拟方法（LES方法）。这是一种折衷的方法，即对湍流脉动部分直接地模拟，将N-S方程在一个小空间域内进行平均（或称之为滤波），以使从流场中去掉小尺度涡，导出大涡所满足的方程。小涡对大涡的影响会出现在大涡方程中，再通过建立模型（亚格子尺度模型）来模拟小涡的影响。由于湍流的大涡结构强烈地依赖于流场的边界形状和边界条件，难以找出普遍的湍流模型来描述具有不同的边界特征的大涡结构，宜做直接模拟。相反地，小尺度涡对边界条件不存在直接依赖关系，而且一般具有各向同性性质。所以亚格子模型具有更大的普适性，比较容易构造，这是它比雷诺平均方法要优越的地方。自从1970年Deardorff第一次给出具有工程意义的LES计算以来，LES方法已经成为计算湍流的最强有力的工具之一，应用的方向也在逐步扩展，但是仍然受计算机条件等的限制，使之成为解决大量工程问题的成熟方法仍有很长的路要走。 （三）RANS 目前能够用于工程计算的方法就是模式理论。所谓湍流模式理论，就是依据湍流的理论知识、实验数据或直接数值模拟结果，对Reynolds应力做出各种假设，即假设各种经验的和半经验的本构关系，从而使湍流的平均Reynolds方程封闭。随着计算流体力学的发展，湍流模式理论也有了很大的进步，有了非常丰硕的成果。从对模式处理的出发点不同，可以将湍流模式理论分类成两大类：一类称为二阶矩封闭模式，另一类称涡粘性封闭模式。 （1）雷诺应力模式 所谓二阶矩封闭模式，是从Reynolds应力满足的方程出发，将方程右端未知的项（生成项，扩散项，耗散项等）用平均流动的物理量和湍流的特征尺度表示出来。典型的平均流动的变量是平均速度和平均温度的空间导数。这种模式理论，由于保留了Reynolds应力所满足的方程，如果模拟的好，可以较好地反映Reynolds应力随空间和时间的变化规律，因而可以较好地反映湍流运动规律。因此，二阶矩模式是一种较高级的模式，但是，由于保留了Reynolds应力的方程，加上平均运动的方程整个方程组总计15个方程，是一个庞大的方程组，应用这样一个庞大的方程组来解决实际工程问题，计算量很大，这就极大地限制了二阶矩模式在工程问题中的应用。 （2）涡粘性模式
第10章 湍流边界层 10.1 壁面湍流特性和速度分布规律 当边界层内流体及管内流体处于层流流动状态时，流体受到壁面的限制仅仅表现在粘性切应力作用下，进行粘性旋涡的扩散；而当处于湍流流动状态时，流体受到壁面的限制则是在粘性切应力和湍流附加切应力的同时作用下，进行旋涡的扩散。 由于湍动旋涡的扩散速度远大于粘性旋涡扩散的速度，因此，在相同条件下，湍流速度边界层的厚度要比层流速度边界层厚。 但在高雷诺数的条件下，湍流速度边界层仍是贴近壁面的薄层，因此，建立湍流边界层方程的前提条件与层流时相同。 但是，由于两种切应力的作用，湍流速度边界层的结构要比层流速度边界层复杂得多。 因此，一定要先了解壁面湍流的分层结构和时均速度分布规律。 10.1.1 壁面湍流分层结构及其特性 在壁面湍流中，随着壁面距离的变化，粘性切应力和湍流附加切应力各自对流动的影响也发生变化。 以y 表示离开壁面的垂直距离，随着y 的增加，粘性切应力的影响逐渐减小，而湍流附加切应力的影响开始不断增大，而后逐渐减小。 这就形成了具有不同流动特征的区域。 壁面湍流速度边界层可以分为内层（壁面区），包括粘性底层、过度层（重叠层）和对数律层（完全湍流层）；外层，包括尾迹律层和粘性顶层（间歇湍流层）。 定义 ()ρ τw x v v = =** (10.1.1) 因为*v 具有速度的量纲，故称为壁面切应力速度，它在湍流中是一个重要的特征速度。 以下对各层的划分做详细说明。 粘性底层：所在厚度约为* 5 0v y ν ≤≤，其内粘性切应力起主要作用，湍流附加切应力可以忽 略，流动接近于层流状态，因此在早期研究中称之为层流底层。 由于近期的实验研究，观察到该层内有微小旋涡及湍流猝发起源的现象，因此称为粘性底层。 过渡层：所在厚度约为* * 30 5 v y v ν ν ≤≤，其内粘性切应力和湍流附加切应力为同一数量级，流 动状态极为复杂。 由于其厚度不大，在工程计算中，有时将其并入对数律层的区域中。 对数律层：所在厚度约为()δν ν 2.01030 * 3 * ≈≤≤v y v ，其内流体受到的湍流附加切应力大于粘 性切应力，因而流动处于完全湍流状态。 由这三层组成的内层，称为三层结构模式，若将过度层归入对数律层，则称为两层结构模式。 外层中的尾迹律层和粘性顶层所在厚度分别约为δν 4.010* 3 ≤≤y v 和δδ≤≤y 4.0。 对于尾迹
中国科学院大气物理研究所硕士研究生入学考试 《大气物理学基础综合》考试大纲 本《大气物理学基础综合》考试大纲适用于中国科学院大气物理研究所大气科学学科有关专业的硕士研究生入学考试。大气物理学是大气科学的重要分支，是许多专业学科的基础理论课程。 大气物理学考试内容主要包括大气组成与物理特性及其垂直结构、大气辐射学、大气边界层物理、云和降水物理学和大气电学等几大部分。要求考生对这几部分的基本概念有较深入的了解，掌握描述大气状态和变化的基本原理和公式及其应用。 一、考试内容 （一）地球大气的成分与分布 1．对流层干空气的主要组成成分与次要组成成分 2．干空气状态方程 3．地球大气中与人类生存有关的碳化合物的主要来源及影响4．臭氧的产生、空间分布及臭氧损耗 5．大气中硫的化合物及氮的化合物的来源及影响 6. 表示大气湿度的物理量及相互关系 7. 克拉珀龙－克劳修斯方程 8. 水汽的状态方程 9. 湿空气的状态方程 10.大气气溶胶的概念、谱分布、来源及在大气过程中的作用（二）大气气压场及大气的分层结构 1. 大气静力学方程、大气压力与高度的关系
2. 标准大气 3. 全球海平面气压分布特征 4. 大气的垂直分层及其特点 （三）大气辐射学 1.大气辐射场的物理量 2.大气辐射的基本定律 3.大气分子吸收（谱） 4. 大气粒子对辐射的散射理论 5. 太阳辐射在地球大气中的传输 6. 地球－大气系统的长波辐射 7. 地气系统的辐射平衡 （四）大气热力学 1. 大气热力学基本规律 2. 大气中的干绝热过程 3. 温度对数压力图解 4. 绝热等压混合过程 5. 大气静力稳定度判据以及条件性不稳定 6. 形成大气逆温层的原因 （五）大气动力学 1. 大气动力学基本方程组 2. 大气运动的尺度分析及近似 （六）大气边界层 1. 湍流及大气湍流的基本特征 2.大气湍流特征量的统计描述 3. 大气湍流的控制方程
大多数飞行器都是在高Re数下飞行，表面的流态是湍流.为了准确地确定湍流流态下的摩阻、热流，湍流成为一个重要而困难的研究课题。 （一）DNS 目前处理湍流数值计算问题有三种方法，第一种方法即所谓直接数值模拟方法（DNS方法），直接求解湍流运动的N-S方程，得到湍流的瞬时流场，即各种尺度的随机运动，可以获得湍流的全部信息。随着现代计算机的发展和先进的数值方法的研究，DNS方法已经成为解决湍流的一种实际的方法。但由于计算机条件的约束,目前只能限于一些低Re数的简单流动,不能用于工程应用.目前国际上正在做的湍流直接数值模拟还只限于较低的需诺数(Re～200)和非常简单的流动外形，如平板边界层、完全发展的槽道流，以及后台阶流动等。用直接数值模拟方法处理工程中的复杂流动问题，即使是当前最先进的计算机也还差三个量级.（二）LES 另一种方法称做大涡模拟方法（LES方法）.这是一种折衷的方法，即对湍流脉动部分直接地模拟，将N—S方程在一个小空间域内进行平均(或称之为滤波），以使从流场中去掉小尺度涡，导出大涡所满足的方程.小涡对大涡的影响会出现在大涡方程中,再通过建立模型（亚格子尺度模型）来模拟小涡的影响。由于湍流的大涡结构强烈地依赖于流场的边界形状和边界条件，难以找出普遍的湍流模型来描述具有不同的边界特征的大涡结构，宜做直接模拟。相反地，小尺度涡对边界条件不存在直接依赖关系,而且一般具有各向同性性质。所以亚格子模型具有更大的普适性,比较容易构造，这是它比雷诺平均方法要优越的地方。自从1970年Deardorff第一次给出具有工程意义的LES计算以来,LES方法已经成为计算湍流的最强有力的工具之一，应用的方向也在逐步扩展,但是仍然受计算机条件等的限制，使之成为解决大量工程问题的成熟方法仍有很长的路要走。 （三)RANS 目前能够用于工程计算的方法就是模式理论。所谓湍流模式理论,就是依据湍流的理论知识、实验数据或直接数值模拟结果，对Reynolds应力做出各种假设,即假设各种经验的和半经验的本构关系,从而使湍流的平均Reynolds方程封闭.随着计算流体力学的发展,湍流模式理论也有了很大的进步，有了非常丰硕的成果。从对模式处理的出发点不同，可以将湍流模式理论分类成两大类：一类称为二阶矩封闭模式,另一类称涡粘性封闭模式。 （1）雷诺应力模式 所谓二阶矩封闭模式，是从Reynolds应力满足的方程出发，将方程右端未知的项（生成项，扩散项，耗散项等）用平均流动的物理量和湍流的特征尺度表示出来。典型的平均流动的变量是平均速度和平均温度的空间导数.这种模式理论，由于保留了Reynolds应力所满足的方程，如果模拟的好，可以较好地反映Reynolds应力随空间和时间的变化规律，因而可以较好地反映湍流运动规律。因此，二阶矩模式是一种较高级的模式，但是,由于保留了Reynolds应力的方程，加上平均运动的方程整个方程组总计15个方程，是一个庞大的方程组,应用这样一个庞大的方程组来解决实际工程问题，计算量很大,这就极大地限制了二阶矩模式在工程问题中的应用。 (2）涡粘性模式
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。
4
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。
5
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。
6
2.1 大气的组成和垂直分层 ★教学目的 1.了解大气的组成及其作用；认识人类活动对大气成分的影响；知道大气的结构，掌握 对流层和平流层大气的特点。 2.培养读图、阅读和概括能力；运用对比法分析地理问题的能力。 3.了解人类活动对大气环境的影响和作用，树立人类与环境相互协调、走可持续发展道路的观念和意识。 ★重点、难点 1.重点：大气主要成分的环境意义；对流层、平流层大气的特点；人类活动与各层大气的关系 2.难点：大气垂直分层的依据；对流层、平流层大气的特点。 ★教材内容分析 本章是讲述人类生存与发展的自然环境的重要组成部分，与第一章地球的宇宙环境相比，它所揭示的"人与自然"的关系更为密切，阐明为人类提供的生存空间的条件更为广阔。大气环境是人类三大环境，即大气、海洋和陆地环境之一，是海洋和陆地两环境的物质、能量交换的动力和媒体。本节教材的涉前、涉后的知识较多，是整个单元的基础。如：臭氧对紫外线的吸收，二氧化碳的保温作用，人类活动对大气的影响等等，对于这些内容要主要不要讲得太细，要点到为止，考虑到以后的教学。 ★教学方法 启发式；读图分析法；对比讨论法；资料分析法 ★课时安排： 1.5课时 ★教学过程 引入新课：地球是宇宙中既普通又特殊的一颗行星，特殊的是它拥有生命，正是因为有了大气才使得生命的形成有了可能，从今天开始我们一起学习第二单元“大气环境”。 新课讲授： [板书]第二单元大气环境 读书第28页，思考：地球表面的大气有什么作用？ [板书]引言 围绕在地球周围的厚厚的大气，阻挡了来自宇宙和太阳的有害辐射，成为地球上生物生存不可缺少的保护层；大气既提供了动植物维持生命活动所需要的各种气体，又对地球自然环境产生深刻的影响。例如，地面上的水蒸发成水汽进入大气，大气中的水汽又凝结成雨、雪等降落地面，使得地球上的水循环不止。又如，增温、降温、刮风、下雨等大气现象，在漫长的地质年代里，不断地雕塑着地球表面的形态。如果地球上没有大气，也就没有生物界，没有人类及其赖以生存和发展的自然环境。大气是地球自然环境最活跃的组成部分。过渡：下面，我们先了解一下大气的组成和结构。 [板书]第一节大气的组成和垂直分层 一、大气的组成及其作用 大家想一想，在我们周围的大气中，除了纯净的空气，还有些什么物质？ 读表2-1，"干洁空气的主要成分"，回答下列问题： 1．干洁空气的主要成分是什么？各有什么作用？ 氧是人类和一切生物维持生命活动所必需的物质；氮是地球上生物体的基本成分。大气中的微量成分二氧化碳和臭氧，含量虽少，但对地球上的生命活动和自然环境有着重要作用。二
湍流模型发展综述 摘要：在概述了湍流问题的基础上，本文简要介绍了湍流的四种模型，对湍流模型在不同情况下的模拟能力进行了对比，最后简述了湍流模型的发展方向。 关键词：湍流模型；Navier-Stokes方程组；J-K模型 Abstract：On the basis of introducing the problems of turbulence, this paper briefly analyzed four kinds of turbulence models and compared their ability of simulation in different situations. At last, the paper expounded the development direction of the turbulence model. Key words：Turbulence model; Navier-Stokes equations; J-K model 一、引言 湍流又称紊流,是自然界中常见的一种很不规则的流动现象。当粘性阻尼无法消除惯性的影响时,自然界中的绝大部分流动都是湍流。 湍流运动的实验研究表明，虽然湍流结构十分复杂，但它仍然遵循连续介质的一般动力学规律，湍流流动的各物理量的瞬时值也应该服从一般的N-S方程。对粘性流体服从的N-S方程进行时均化，就可以得到雷诺平均方程。与定常的N-S方程相比，不同之处是在该式右边多了九项与脉动量有关的项，这脉动量的乘积的平均值与密度的乘积是湍流流动中的一种应力，称为湍流应力或雷诺应力。其中，法向雷诺应力和切向雷诺应力各有三个。 湍流问题就是在给定的边界条件下解雷诺方程。由于雷诺平均方程中未知数个数远多于方程个数而出现了方程不封闭的问题，这就需要依据各种半经验理论提出相应的补充方程式，即各种湍流模型。一般按照所用湍流量偏微分方程的物理含义或者数量进行区分，分别称为梅罗尔—赫林方法和雷诺方法。而后者又将湍流模型分成四类。（1）零方程模型；（2）一方程模型；（3）二方程模型；（4）应力方程模型。下面就对这些模型进行简单的描述。 二、湍流模型简介 1、零方程模型 最初的湍流模型只考虑了一阶湍流计算统计量的动力学微分方程，即平均方程，没有引进高阶统计量的微分方程，因而称之为一阶封闭模式或零方程模型。零方程模型又称为代数模型，代数模型又可以分成以下几种模型：（1）Cebeci —Smith 模型，（2）Baldwin—Lomax 模型，（3）Johnson—King 模型。 其中，B-L与C-S模型的不同之处在于外层湍流粘性系数取法不同。后者适用于湍流边界层，而前者则可用于 N-S方程的计算。此两模型已在工程计算中
力学的世纪难题——湍流 周恒 中国航空报 June12,2014 Abstract 人们关心流体的运动是很自然的，因为地球为大气所包围，而地球表面的2/3为水面覆盖。作为科学问题的湍流，是在1883年Reynolds做 了区分层流和湍流这两种不同形态流动的实验后确立的。而自20世纪初以 来，由于工程技术的发展，对认识湍流的规律提出了迫切的要求，从而大 大地推动了湍流的研究。在这100多年中，对湍流的认识的确取得了很大 进展，否则如航空、航天、船舶、动力、水利、化工、海洋工程等工程技 术，以及气象、海洋科学等自然科学都不可能有很大的进展。但另一方面， 人们对湍流的认识又还很不全面，从而制约了这些工程技术和自然科学的 进一步发展，也可能会对21世纪的某些新兴科学技术的形成起到制约作 用。因而在21世纪之始，再一次将这一世纪难题提到科学工作者面前是很 必要的。 1湍流运动的复杂性 湍流运动复杂性的根源在于它是强非线性系统的运动。控制湍流运动的方程:Navier-Stokes(N-S)方程是非线性的。在多数情况下，它的解是不稳定的，从而导致了流动的多次分叉，形成了复杂流态，而方程的非线性又使各种不同尺度的流动耦合起来，无法将它们分别研究。 一个世纪以来，数学家们曾对N-S方程做过大量研究，但由于其非线性带来的困难，正面的成果远不如对其他数学物理方程的研究所得到的多。看起来，进一步对N-S方程的数学性质做研究尽管重要，但依靠这一途径来解决工程技术和自然数学中提出的湍流问题恐怕是不现实的。 物理学家、力学家以及一部分数学家试图从另一途径来解决湍流，即通过直接建立能反映其某些重要特性的模型来认识湍流。例如，在20世纪 1
前面复习
什么是湍流？ 湍流与层流有什么区别？ 雷诺数Re的表达式和物理意义？ 湍流有哪些理论？ 流体运动的稳定性指的是什么？ 处理流体运动的稳定性问题时，什么是 小扰动法和能量法？
流体力学和N-S方程
流体力学是力学的一个分支，它是研究 流体 ( 包括液体及气体 ) 这样一个连续介质 的宏观运动规律以及它与其他运动形态之 间的相互作用。通常所说的流体力学就是 指建立在连续介质假设基础上的流体力学。 连续介质假设认为真实流体所占有的空 间可近似地看做是由“流体质点”连续无 空隙地充满着的。所谓流体质点指的是微 观上充分大，宏观上充分小的分子团．
流体运动的描述
欧拉方法着眼于流场空间的固定点， 拉格朗日着眼于确定的流体质点。 两种方法可以互换。
K qi = qi (r , t )
qi = qi (ξ , t )
物理量的物质导数和当地导数
在欧拉方法的表达式中，专门引进了一 个运算符号d/dt，它表示某确定流体质点的 物理量随时间的变化率，称为该物理量的 物质导数；同时，将欧拉表述下物理量函 数对时间的偏导数，即空间固定点上物理 量的时间变化率，称为当地导数，记作э/эt。
dq ?q K = + (v ? ? ) q dt ?t
M 1m/s M 2m/s
M’ 2m/s (t=0) M’ 3m/s (t=1s)
应力张量
流体质点所受的力需要用二阶张量来描 述，σji。在通过某点并具有任意方向n的面 元上，应力矢量 T(n) 为二阶张量和该面元 的法向单位矢n唯一确定。
K Ti (n ) = σ ji n j
. 湍流理论发展概述
一、湍流模型的研究背景 自然环境和工程装置中的流动常常是湍流流动，模拟任何实际过程首先遇到的就是湍流问题，而湍流问题本身又是流体力学理论上的难题。对于某些简单的均匀时均流场，如果湍流脉动是各向均匀及各向同性的，可以用经典的统计理论来分析，但实际上的湍流往往是不均匀的，这就给理论分析带来了极大地困难。这也就引发了对湍流过程进行模拟的想法。 对湍流最根本的模拟方法是在湍流尺度的网格尺寸内求解瞬态的三维N-S 方程的全模拟方法，此时无需引进任何模型。然而由于计算方法及计算机运算水平的限制，该种方法不易实现。另一种要求稍低的方法是亚网格尺寸度模拟即大涡模拟（LES），也是由N-S方程出发，其网格尺寸比湍流尺度大，可以模拟湍流发展过程的一些细节，但由于计算量仍然很大，只能模拟一些简单的情况，直接应用于实际的工程问题也存在很多问题[1]。目前数值模拟主要有三种方法：1.平均N-S方程的求解，2.大涡模拟（LES），3.直接数值模拟（DNS），而模拟的前提是建立合适的湍流模型。 所谓的湍流模型，就是以雷诺平均运动方程与脉动运动方程为基础，依靠理论与经验的结合，引进一系列模型假设，而建立起的一组描写湍流平均量的封闭方程组。目前常用的湍流模型可根据所采用的微分方程数进行分类为：零方程模型、一方程模型、两方程模型、四方程模型、七方程模型等。对于简单流动而言，一般随着方程数的增多，精度也越高，计算量也越大、收敛性也越差。但是，对于复杂的湍流运动，则不一定。湍流模型可根据微分方程的个数分为零方程模型、一方程模型、二方程模型和多方程模型。这里所说的微分方程是指除了时均N-S 方程外，还要增加其他方程才能是方程封闭，增加多少个方程，则该模型就被成为多少个模型。 二、基本湍流模型 常用的湍流模型有： 零方程模型：C-S模型，由Cebeci-Smith给出；B-L模型，由Baldwin-Lomax 给出。 一方程模型：来源由两种，一种从经验和量纲分析出发，针对简单流动逐步发展起来，如Spalart-Allmaras(S-A)模型；另一种由二方程模型简化而来，如Baldwin-Barth(B-B)模型。
专题8 大气的组成和垂直分层 【基础过关】 读图，回答1～3题。 1．对地面起保温作用的是( ) A．箭头a表示的辐射B．箭头b表示的辐射 C．箭头c表示的辐射D．箭头d表示的辐射 2．当大气中的云量或水汽含量增加时( ) ①箭头f可能增强②箭头e可能增强③箭头c可能增强④箭头a可能 增强 A．①②④ B．②③④ C．①③④ D．①②③ 3．下列叙述正确的是( ) A．在晚秋晴朗的夜晚，箭头b减弱，霜冻出现机会多 B．人造烟雾使箭头c增强，起到防御霜冻的作用 C．月球因箭头c、f、d减弱，因此昼夜温差大 D．大气对箭头a和b几乎是透明的 答案 1.C 2.D 3.B 解析分析图中的箭头，a为太阳辐射，b为地面辐射，c为大气逆辐射，d、 e、f为大气的散射作用，g为未被大气吸收的地面辐射。其中对地面起保温 作用的是大气逆辐射；大气中的云量或水汽含量增加时，大气对地面辐射的吸收增加，导致c、e、f均增强；晴朗的夜晚c减弱导致霜冻出现机会多； 在月球上由于几乎没有大气的保温作用，因此昼夜温差大。 某学校地理兴趣小组做了如下实验：做两个相同规格的玻璃箱(如下图)，甲底部放一层土，中午同时把两个玻璃箱放在日光下，15分钟后，同时测玻璃
箱里的气温，结果发现底部放土的比没有放土的足足高了
3℃。据此完成4～5题。 4．该实验主要目的是测试( ) A．大气的温室效应 B．大气的热力运动 C．一天中最高气温出现的时刻 D．近地面大气主要、直接的热源 5．甲箱温度比乙箱温度高的原因是( ) A．太阳辐射强弱差异B．地面辐射强弱差异 C．大气吸热强弱差异D．大气辐射强弱差异 答案 4.D 5.B 解析该实验可看出，底部有土的玻璃箱里气温高，说明地面辐射的强弱影响气温高低。地面是对流层主要、直接的热源。 下图为大气垂直分层示意图，据图回答6～8题。 6．图中正确表示大气层气温垂直变化的曲线是( ) A．① B．② C．③ D．④
高等流体力学 湍流调研报告 学生姓名：********** 学号：********** 专业班级：********** 2015年 12月1日
前言 自1839年G.汉根在实验室中首次观察到由层流向湍流的转变现象以来，对湍流的研究已有近两百年历史，但由于湍流流动的复杂性，至今仍存在一些基本问题亟待解决。但从检索有关湍流文章过程中发现，绝大多数文章均是介绍有关湍流的数值模拟问题，鲜有文章报道关于湍流理论的基础研究。一方面的原因是由于湍流理论研究其固有的困难性，我想还有另一方面的原因便是当今学术界乃至整个社会风气的浮躁。物欲横流金钱至上的社会风气下，Paper至上的学术氛围下，基础学科的发展及基础理论的研究深受其害。基础研究学者得不到应有的精神上、物质上的尊重，青年科学家为了将来的发展避开基础学科，中年科学家为了避免家庭经济上的负担放弃理论研究，当今只有部分老一辈的科学家坚持着自己的原则和理想，我想这也是他们为什么仍是我国科学技术发展中流砥柱的原因吧。纵然如今之风气已被众多学者所诟病，但已根深蒂固，不可能将之迅速扭转，当下应从政策上给予基础研究支持和鼓励，予现行之风以纠正，方可促我民族之复兴。在前任上海交通大学校长谢绳武先生给杨本洛先生《湍流及理论流体力学的理性重构》[1]一书的序中以及施红辉先生《湍流初级教程》[2]的前言中均提到切实支持原创性基础研究的重要性。 本文首先查阅文献了解了湍流的定义，以及人们目前对湍流的认识；然后通过调研梳理了湍流理论的发展过程；最后，就湍流的数值模拟极其未来的发展方向做了简要介绍。
一、湍流的定义 什么是湍流？查阅相关书籍、论著，关于湍流的论述相当多的部分是从1883年Reynolds的圆管内流动实验引出的，通过实验观察，给出了湍流的描述性定义：湍流是复杂的、无规则的、随机的不定常运动。随后详细说明了湍流的一些主要特征，包括其扩散性、耗散性、大雷诺数、记忆性、间歇性等等，但对湍流严格意义的科学定义没有叙述，我想这也是湍流能成为跨世纪难题的一个反映吧。从各论著的叙述来看，随着湍流理论的发展，湍流的定义是不断修正和补充的，19世纪初，湍流被认为是完全不规则的随机运动，Reynolds称之为“波动”[3]，首创统计平均法描述湍流运动；1937年，Taylor 和von Karman则认为湍流是一种不规则运动，于流体流过固壁或相邻不同速度流体层相互流过时产生；Hinze认为湍流除了不规则运动外，其各个量在空间、时间上具有随机性；我国著名科学家周培源先生则主张湍流为一种不规则的涡旋运动；自20世纪70年代开始，很多学者又指出湍流不是完全的随机运动，其存在一种可以被检测和显示的拟序结构。由清华大学出版社出版，林建忠等人编著的《流体力学》[4]一书中提到，目前大多数学者的观点是：湍流场有各种大小和涡量不同的漩涡叠加而成，其中最大涡尺度与流体环境密切相关，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；在某些情况下，流场做完全随机的运动，在另一些情况下，流场随机运动与拟序运动并存。 值得一提的是，杨本洛先生所著的《湍流及理论流体力学的理性重构》一书中从形式逻辑考虑，对湍流的本质，包括其物理本质、物理机制、形式特征做了论述，并提出一切宏观物质总是粒子的（宏观力学中基本假设之一是连续介质假设），认为流体是大数粒子的集合，湍流研究困难的本质在于基于微分方程所表现的连续宏观表象与宏观流体的粒子本质之间存在的根本矛盾，著作中含有大量的逻辑讨论及哲学层次的思考。二、湍流理论发展简史 1839年，G.汉根在实验中首次观察到流动由层流到湍流的转变，这便揭开了湍流这一科学难题的第一幕。在其后百余年的理论发展中Reynolds、Prandtl、von Karman、Taylor、Kolmogorov、Landau、Heisenberg、Onsager、Chandrasekhar、Hopf、周培源、李政道、林家翘、谈镐生等如雷贯耳的大师们纷纷登上这一广阔的舞台，在湍流的金色大厅里演
湍流简史精选 已有 3889 次阅读2012-9-22 10:40|个人分类:学术探讨|系统分类:科研笔记|关键词:湍流简介 湍流理论发展简史： N-S方程的导出： 描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程，简称N-S方程。因1821年由 C.-L.-M.-H.纳维（基于分子运动）和1845年由G.G.斯托克斯（基于连续介质假定）分别导出而得名。后人在此基础上又导出适用于可压缩流体的N-S方程。N-S方程包含两个假设：第一连续介质假定；第二是所有涉及到的场，全部是可微的假定。N-S方程和连续方程共同构成了一个闭合的非线性方程组。该方程组是质量守恒定律和牛顿运动定律在流体力学中的一种应用形式，由于其高度非线性，因此很难求得其解析解。一般认为无论流体运动多么复杂，方程组都能够描述流体的运动。 湍流的发现： 1839年，G.汉根在实验中首次观测到了流动由层流向紊流的转变。 层流向湍流转变的雷诺实验： 1883年英国科学家雷诺（Reynolds）通过实验研究并展示了液体在流动中存在两种内部结构完全不同的流态：层流和紊流。雷诺揭示了重要的流体流动机理，即根据流速的大小,流体有两中不同的形态，并提出了著名的层流向紊流转变的雷诺数（包括分层流动的情况）。当流体流速较小时，流体质点只沿流动方向作一维的运动，与其周围的流体间无宏观的混合即分层流动这种流动形态称为层流或滞流。流体流速增大到某个值后，流体质点除流动方向上的流动外，还向其它方向作随机的运动，即存在流体质点的不规则脉动，这种流体形态称为湍流。并在1885年提出了著名的雷诺平均方法。 湍动能串级过程： 1922年Richardson发现湍动能串级过程。大尺度涡流脉动犹如一个很大的蓄能池，它不断从外界获得能量并输出给小尺度涡能量；小尺度湍流就像一个耗能机械，从大尺度湍流涡输出来的动能在这里全部耗散掉，流体的惯性犹如一个传送机械，把大尺度脉动传给小尺度脉动。流动的雷诺数越大，蓄能的大尺度和耗能的小尺度之间的惯性区域越大。 各项同性湍流理论： 1935年G. I. Taylor在风洞实验的均匀气流中设置一排或者几排规则的格栅，均匀气流垂直流过格栅时产生不规则扰动。这种不规则扰动向下游运动过程中，由于没有外界干扰，逐渐演化为各项同性湍流。发展了各项同性理论。 Karman-Howarth方程的导出： 1938年基于Taylor的各项同性理论导出了著名的K-H方程。但方程中含有的未知数的个数比方程数多，因此无法求解。 Kolmogorov空间尺度标度率： 1941年莫斯科的数学家Kolmogorov更进一步地把G.I.Taylor的均匀各向同性理论发展成局地均匀各向同性统计理论，并在人类历史上第一次导出了湍流微结构的规律：结构函数的-p/3定律。第一次揭示了湍流的空间分布特性。但该理论存在着一些缺陷。
湍流降阻 湍流减阻技术有泥沙减阻[ 1]、微汽泡及吹气和吸气减阻[ 2,3]、聚合物减阻[ 4]、涂层减阻[ 5]、磁减阻[6]、仿生非光滑减阻[7-12]等, 这些技术主要是控制边界层内的湍流结构, 特别是拟序结构, 从而达到控制湍流动能损耗, 实现减阻目的。 仿生学研究发现鱼类等水生动物和有翼昆虫等飞行动物经历了近亿年进化过程, 形成了一种满足自身生存需要的非光滑减阻表面。如Reif 教授在研究40 多种不同生长阶段的鲨鱼后, 发现当鲨鱼快速游动时, 表皮上有精细间隔的鳞脊, 鳞脊间有圆谷, 鳞脊的排列基本上与流动方向平行, Reif 认为, 鲨鱼皮上的鳞脊可以使边界层稳定, 减小快速游动阻力[9]。受此启发, 用仿生非光滑技术改变近壁区流场, 减小壁面摩擦阻力, 不会给使用体带来附加设备、额外能量消耗和污染物, 仅改变壁面形状就达到减阻效果,在各种减阻技术中被认为是最有前途的方法。
图1 为三角形、扇贝形和刀刃形三种仿生非光滑沟槽形状参数示意图, 其中s = 0. 1mm, h =0. 05mm, 刀刃形沟槽刃宽t = 0. 2 × h 。三种模型在相同的计算域中模拟, 将光滑表面与沟槽表面置于同一流场中, 便于结果对比, 减小计算误差。先在ANSYS 中建立几何模型, 对其进行离散化, 再将离散单元导入GAMBIT 中, 进行网格平滑处理和区域划分, 最后将网格导入FLU ENT 中进行计算及结果显示。为了便于观察流场运动情况, 沿流向布置8 个沟槽。三角形和扇贝形用六面体网格离散, 刀刃形用三角形网格离散。流向均匀划分40 个网格点, 垂向不等间距划分40 个网格点, 中心处网格最稀, 从中心向两边网格间距以0. 25 倍等比速度减小, 沟槽表面划分变尺寸网格, 沟槽网格密度在谷底最稀, 谷顶最密, 网格间距从谷顶到谷底以0. 5 等比速度减小。三种情况下沟槽表面所划分的网格密度相同, 并等于光滑表面。 图2 CFD模型 表1 三种沟槽表面上网格点数列表 网格总数沟槽表面积形状顶角s h 沟槽表面 网格数 三角形90°0.1 5×10-214 181023 4.53×10-6扇贝形- 0.1 5×10-216 197821 4.95×10-6刀刃形- 0.1 5×10-221 240005 6.00×10-6
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
附件1 “风沙环境下高雷诺数壁湍流结构及其演化机理研究” 风沙运动引发的灾害已经成为影响人类社会的一个重要环境问题。要实现对风沙灾害的有效预报和合理防治，必须深刻认识风沙灾害的成因和规律。从流动的角度来看，风沙运动实质上是颗粒物质与高雷诺数大气边界层湍流相互作用的结果，其特征雷诺数Reτ可达106~107量级。目前有关风沙运动研究的理论基础仅基于定常平均假设，导致理论预测与实际情况存在显著差异。为提高风沙运动的预测精度和防治水平，必须依靠湍流特别是高雷诺数壁湍流的最新研究进展和理论突破。 高雷诺数壁湍流在湍流统计特性、流动结构等方面与低雷诺数情况存在较大差异，而风沙运动作为一种典型的高雷诺数流动，为高雷诺数湍流研究提供了非常有用的基准。本项目拟以高雷诺数风沙运动为主要研究对象，通过理论分析、实验室模拟、数值仿真和野外观测相互结合的方式，研究高雷诺数壁湍流的流动特性和机理，揭示湍流拟序结构对起沙和沙尘输运的作用和影响规律，为风沙灾害的预报和防治提供理论支持、预测方法和工程依据，由此形成风沙运动研究的中国特色。 一、科学目标 以我国风沙灾害防治为背景，针对高雷诺数湍流边界层的一般规律、沙尘起沙机制和输运特性，开展高雷诺数壁湍流的理论分析、实验测量、数值模拟和野外观测，掌握高雷诺数壁湍流流动特性和雷诺数影响规律，认识高雷诺数壁湍流拟序结构及尺度作用机理，揭示沙尘起跳和长距离输运机理，构建适用于高雷诺数风沙预报的数值计算
方法和计算平台。由此促进高雷诺数湍流和风沙运动学科的交叉融合，提升我国在湍流和风沙物理学领域的创新能力。 二、研究内容 （一）壁湍流统计特性的雷诺数效应。 开展高雷诺数壁湍流的大气边界层净风场测量，结合中等雷诺数直接数值模拟和高雷诺数大涡模拟，研究壁湍流统计特性随雷诺数的变化规律和趋势，包括：雷诺数对平均速度型与卡门常数的影响；湍动能第二峰的产生条件及能量输运特性；风沙对湍流统计特性的影响。 （二）高雷诺数壁湍流结构的动力演化特性与尺度作用机理。 结合流动显示、三维流场测量和直接数值模拟等手段，研究高雷诺数壁湍流中大尺度拟序结构的起源、演化和相互作用的特性、规律和机理，包括：边界层内大尺度/超大尺度结构的生成和动力学演化过程；边界层内外区流动结构的相互作用机制；沙尘与湍流拟序结构的相互影响规律。 （三）考虑高雷诺数效应的风沙运动预报方法。 综合考虑在高雷诺数条件下出现的湍流脉动、大尺度结构等复杂因素，建立计及内外区相互作用的湍流模型，发展适用于高雷诺数风沙预报的新型预报方法，完成近地表风沙流形成与发展过程的模拟，较为准确地预测沙粒的扬起过程及输运特性。 三、资助期限5年（2015年1月至2019年12月） 四、资助经费2000万元 五、申请注意事项 （一）申请人应当认真阅读本项目指南和通告，不符合项目指南和通告的申请项目不予受理。 （二）申请书的附注说明选择“风沙环境下高雷诺数壁湍流结构