边界层固有现象-----湍流及其量化

1、第二章第二章边界层固有现象边界层固有现象-及其量化及其量化 第一部分第一部分 湍流介绍湍流介绍根据大量实验观测数据根据大量实验观测数据Re=21001) Re 2100 层流变为湍流层流变为湍流应力变大应力变大3) Re 2100 , 问题：问题：请计算边界层中大气的请计算边界层中大气的Re95e10101000101UDR 本章内容本章内容 湍流定义及其介绍湍流定义及其介绍 研究湍流的方法研究湍流的方法 大气边界层中的湍流大气边界层中的湍流 湍流的统计特征湍流的统计特征a) 平均风速平均风速 b)波波 c)湍流湍流湍流定义湍流定义 Turbulence 中文：湍流、紊流中文：湍流、紊流 日文

2、：乱流日文：乱流都体现出一个共性：不规则都体现出一个共性：不规则表面直观的现象，那么本质（表面直观的现象，那么本质（nature）是什么？）是什么？小湍涡小湍涡思考？思考？不规则性的具体表现？不规则性的具体表现？随机性、不稳定性、随机性、不稳定性、间歇性间歇性湍流飞瀑湍流飞瀑黄果树瀑布黄果树瀑布诺日朗瀑布诺日朗瀑布 大湍涡，晴空湍流大湍涡，晴空湍流 传统科学创造了汽车、工厂、空间飞行与太空旅传统科学创造了汽车、工厂、空间飞行与太空旅行、计算机和其他许多进步，但在两个重要领域被证行、计算机和其他许多进步，但在两个重要领域被证实无能为力。这两个领域是：生命系统和实无能为力。这两个领域是：生命系统和

3、。古典。古典物理学可以描述自物理学可以描述自大爆炸大爆炸以来每一毫微秒的情形，以来每一毫微秒的情形，但是对血液奔流穿过左心室和长江中的但是对血液奔流穿过左心室和长江中的或是谷物或是谷物分蘖却不能完成任何解释。分蘖却不能完成任何解释。 自从自从1883年年Reynolds做了著名的实验以来，一百做了著名的实验以来，一百多年里一直是科学的前沿和挑战性问题之一。历史上，多年里一直是科学的前沿和挑战性问题之一。历史上，包括包括von Karman、Kolmogorov、Landau和周培源在和周培源在内的许多著名科学家对湍流的研究内的许多著名科学家对湍流的研究均未获得大的成功均未获得大的成功。在跨越了

4、两个世纪之后的今天，尽管人们对湍流发生在跨越了两个世纪之后的今天，尽管人们对湍流发生机理和湍流运动规律的了解有了很大的进展，湍流研机理和湍流运动规律的了解有了很大的进展，湍流研究在工程技术上的应用也取得了很大的成就，但是就究在工程技术上的应用也取得了很大的成就，但是就其本质上来说，对湍流的认识还很不全面，还有很多其本质上来说，对湍流的认识还很不全面，还有很多基本的问题没有搞清楚。基本的问题没有搞清楚。 湍流仍然是摆在全世界科技工作者面湍流仍然是摆在全世界科技工作者面前的难题。周恒院士指出，湍流问题不仅前的难题。周恒院士指出，湍流问题不仅制约了航空、航天、水利、化工等许多工制约了航空、航天、水利

5、、化工等许多工程技术和程技术和大气科学、海洋科学大气科学、海洋科学等自然科学等自然科学的进一步发展，而且的进一步发展，而且“也可能会对也可能会对21世纪世纪的某些新兴科学技术的形成起到制约作的某些新兴科学技术的形成起到制约作用用”。 大气湍流的几个问题大气湍流的几个问题1）大气湍流的发生机制）大气湍流的发生机制2）大气湍流的间歇性和标度律）大气湍流的间歇性和标度律 3）大气湍流的拟序结构）大气湍流的拟序结构 4）稳定层结条件下的大气湍流）稳定层结条件下的大气湍流 5）大气湍流的混沌动力学特征）大气湍流的混沌动力学特征 1）大气湍流的发生机制）大气湍流的发生机制 大气湍流的发生机制可分为动力学机

6、制和热力大气湍流的发生机制可分为动力学机制和热力学机制两大类学机制两大类 前者主要从大尺度剪切流中获取能量，后者则前者主要从大尺度剪切流中获取能量，后者则主要由热对流引起。通常情况下是动力和热力主要由热对流引起。通常情况下是动力和热力同时起作用。同时起作用。 在大气锋面、气旋、高空槽、切变线、地形等在大气锋面、气旋、高空槽、切变线、地形等附近，湍流的发生机制也同样是重要的研究课附近，湍流的发生机制也同样是重要的研究课题。题。 2）大气湍流的间歇性和标度律）大气湍流的间歇性和标度律 大气湍流不是在时间和空间上处处大气湍流不是在时间和空间上处处充满的，从时间上看湍流与非湍流充满的，从时间上看湍流与

7、非湍流(层流层流)是交替出现的，从空间上看，湍流与非是交替出现的，从空间上看，湍流与非湍流共存并且交织在一起，但有明显的湍流共存并且交织在一起，但有明显的分界面，即具有间歇性。分界面，即具有间歇性。 外间歇性外间歇性内间歇性内间歇性 外间歇性与内间歇性外间歇性与内间歇性 外间歇性：它主要与流动的外部边界条外间歇性：它主要与流动的外部边界条件或流动的大尺度结构有关件或流动的大尺度结构有关 内间歇性：湍流内部的不均匀性造成，内间歇性：湍流内部的不均匀性造成，也称为湍流的微结构间歇性也称为湍流的微结构间歇性 湍流的标度律湍流的标度律 存在标度不变性。这是一种新的、在存在标度不变性。这是一种新的、在R

8、e数很大时出现的宏观对称性。数很大时出现的宏观对称性。 如大气湍流能谱如大气湍流能谱“2/3定律、定律、 “-5/3定定律律”都是标度律的例子都是标度律的例子. 到目前为止已有的湍流理论均不能很到目前为止已有的湍流理论均不能很好地解释这些定律。好地解释这些定律。 http:/ 拟序结构是指在相互作用中保持的一拟序结构是指在相互作用中保持的一种有序的动态图像，非线性系统的相互作种有序的动态图像，非线性系统的相互作用产生的稳定而持久的动态过程是自然界用产生的稳定而持久的动态过程是自然界广泛存在的一类极为重要的现象，一直受广泛存在的一类极为重要的现象，一直受到科学家的重视到科学家的重视 如木星大气湍

9、流中保持稳定拟序结构如木星大气湍流中保持稳定拟序结构的巨型红斑的巨型红斑 木星木星Jupiter的巨型红斑的巨型红斑 4）稳定层结条件下的大气湍流）稳定层结条件下的大气湍流 稳定层结条件下的大气湍流或弱湍流问稳定层结条件下的大气湍流或弱湍流问题是长期以来就是一个的难点。题是长期以来就是一个的难点。 生态系统与大气之间物质和能量的交换生态系统与大气之间物质和能量的交换极其重要，农作物和森林等植物冠层内极其重要，农作物和森林等植物冠层内的湍流同样是较弱的，因而如何准确估的湍流同样是较弱的，因而如何准确估算其水份和二氧化碳通量也成了一个急算其水份和二氧化碳通量也成了一个急需解决的难题。需解决的难题。

10、 大气湍流的混沌动力学特征大气湍流的混沌动力学特征 最近十几年来非线性科学的迅速发展给最近十几年来非线性科学的迅速发展给大气湍流研究注入了新的活力大气湍流研究注入了新的活力 特别是混沌理论和分形理论（自相似）特别是混沌理论和分形理论（自相似）的出现，对于解释大气湍流的发生、描的出现，对于解释大气湍流的发生、描述湍流场复杂的几何结构等，都提供了述湍流场复杂的几何结构等，都提供了新的途径，并带来了许多新的研究课题。新的途径，并带来了许多新的研究课题。 混沌图象混沌图象 Lorenz吸引子吸引子“蝴蝶的翅膀蝴蝶的翅膀” 分形分形分形图案分形图案 湍流定义及其介绍湍流定义及其介绍 研究湍流的方法研究湍

11、流的方法 湍流的统计特征湍流的统计特征 大气边界层中的湍流大气边界层中的湍流湍流如此复杂，如何研究？湍流如此复杂，如何研究？ 层流？层流？ 湍流？湍流？ Navier-Stokes 1）湍流统计理论）湍流统计理论2）半经验理论）半经验理论3）数值模拟）数值模拟(大涡模拟大涡模拟)湍流统计理论湍流统计理论 采用较严格的统计途径，对湍流内部进行分析，采用较严格的统计途径，对湍流内部进行分析，研究各种量的相关矩和谱函数。研究各种量的相关矩和谱函数。 对于理解湍流运动中的很多基本性质和概念十分对于理解湍流运动中的很多基本性质和概念十分有用，因为它力图从微观导出宏观，从而深刻地有用，因为它力图从微观导出

12、宏观，从而深刻地揭示微观与宏观的内在联系。揭示微观与宏观的内在联系。 各向同性假设各向同性假设半经验理论半经验理论 根据大量数据，运用量纲分析和统计学知根据大量数据，运用量纲分析和统计学知识，总结得到一个经验公式或关系式。识，总结得到一个经验公式或关系式。 如相似理论。如相似理论。 目前边界层的许多关系式都是通过此方法目前边界层的许多关系式都是通过此方法得到的。得到的。大气边界层中的湍流大气边界层中的湍流稳定边界层稳定边界层对流混合层对流混合层残留层残留层Lidar探测的边界层湍流图象探测的边界层湍流图象wind = 2m/swind range: 5m/s 15m/s 我们生活的地球被大气所

13、包围，我们生活的地球被大气所包围，广义地讲，整个地球大气系统都可广义地讲，整个地球大气系统都可以看作是处在具有宽广尺度湍流运以看作是处在具有宽广尺度湍流运动的状态，因此湍流研究具有极为动的状态，因此湍流研究具有极为重要的科学意义和实际应用价值。重要的科学意义和实际应用价值。 大气湍流以近地层大气表现最为突出，大气湍流以近地层大气表现最为突出，风速时强时弱，风向不停摆动，就是湍流风速时强时弱，风向不停摆动，就是湍流运动的具体表现。大气湍流造成流场中各运动的具体表现。大气湍流造成流场中各部分之间强烈混合，它能使大气中的动量、部分之间强烈混合，它能使大气中的动量、热量、水汽、污染物等产生强烈混合和输

14、热量、水汽、污染物等产生强烈混合和输送，送，能对建筑物、飞行器等产生作用和影能对建筑物、飞行器等产生作用和影响，还会使大气折射性质发生变化从而导响，还会使大气折射性质发生变化从而导至电磁波和声波被散射，湍流是一种开放至电磁波和声波被散射，湍流是一种开放的、三维的、非定常的、非线性的、并具的、三维的、非定常的、非线性的、并具有相干结构的耗散系统，集物理现象的多有相干结构的耗散系统，集物理现象的多种难点于一身。种难点于一身。 大气湍流问题要比普通流体动力学大气湍流问题要比普通流体动力学湍流复杂。除了经常存在风速剪切外，湍流复杂。除了经常存在风速剪切外，还存在着密度分层还存在着密度分层(或温度层结或

15、温度层结)、下垫面、下垫面不均匀等许多复杂因素。尤其是由于地不均匀等许多复杂因素。尤其是由于地表和大气热力作用的影响导致大气边界表和大气热力作用的影响导致大气边界层随时间的变化，从而影响湍流结构。层随时间的变化，从而影响湍流结构。大气湍流的探测也不象实验室湍流那样大气湍流的探测也不象实验室湍流那样易于进行。易于进行。 湍流是大气系统中复杂现象的集中体现。湍流是大气系统中复杂现象的集中体现。它主要是由大气动力状态和热力状态的不它主要是由大气动力状态和热力状态的不均匀作用而引起的。大尺度湍流还会受到均匀作用而引起的。大尺度湍流还会受到地球旋转的影响，在研究天气演变和气候地球旋转的影响，在研究天气演

16、变和气候变化时它是非常重要的。通常所说的大气变化时它是非常重要的。通常所说的大气湍流主要还是集中在离地面湍流主要还是集中在离地面12公里厚的一公里厚的一个薄层、即所谓个薄层、即所谓内。由于特征内。由于特征尺度很大，大气边界层的尺度很大，大气边界层的Reynolds数相当数相当高，湍流分布在很宽的尺度上，小到毫米高，湍流分布在很宽的尺度上，小到毫米尺度的旋涡，大到百米甚至公里尺度的旋尺度的旋涡，大到百米甚至公里尺度的旋涡均可能存在。涡均可能存在。 比起普通的实验室比起普通的实验室(例如风洞中例如风洞中)湍流来，湍流来，具有宽得多的谱带，大气湍流强度也很大，可具有宽得多的谱带，大气湍流强度也很大，可达达20%左右。大气边界层是大气与下垫面直接左右。大气边界层是大气与下垫面直接发生相互作用的层次，地气之间物质和能量的发生相互作用的层次，地气之间物质和能量的交换过程大部分都是通过湍流输送来实现的，交换过程大部分都是通过湍流输送来实现的，因此湍流始终是大气物理研究的核心问题，它因此