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
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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。
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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。
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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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湍流的一般定义和描述（续）
3. 在某些情况下，流场中流体呈非线性 完全随机的运动；在另一些情况下， 流场中的流体随机运动和拟序结构并 存。
4. 湍流中的特征呈现连续的变化，人们 将N—S方程作为湍流运动的基本方程 。
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湍流与层流的区别
共同点 区别一：控制方程不同 区别二：性质上不同 两者的联系与转换 返回
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粘性流体运动的一般性质
(1)运动的有旋性； (2)能量的耗损性； (3)涡旋的扩散性。
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流体的控制方程
层流是一种有序的确定性的流体运动，流体物 理量除了在分子热运动的微观尺度上有随机 的起伏外，在宏观尺度上都是确定性的。
可 以直接从纳维—斯托克斯方程出发通过解方 程把流场求出来 。
湍流则是一种宏观的时间和空间尺度上无序的 非确定性的流体运动，其流体物理量的变化 是无规则的。
其控制方程现在仍认为是雷诺 方程 返回
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性质上绝然不同 ——表现在传热和传质上
层流的特征是流体运动规则，各部分分层流 动互不掺混，质点的迹线是光滑的，而且 流场稳定．湍流的特征则完全相反，流体 运动极不规则．各部分激烈掺混，质点的 轨线杂乱无章，而且流场极不稳定． 湍流运动产生的质量和能量输运将远远大于 分子热运动产生的宏观输运，湍流场中质 量和能量的平均扩散远远大于层流扩散。
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两者之间的联系和转换
Re数作为层流过渡到湍流去的决定参数， Re数代表惯性力和粘性力之比．当Re数 较小时粘性力比惯性力大，此时流动稳 定，扰动是衰减的；当Re数变大时，惯 性力较粘性力大．此时流动比较不稳定， 扰动容易发展增强，形成湍流．
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层流向湍流的转换
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三、湍流理论发展的历史
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1854－1883年
1854 年德国工程师 Hagen 在水管实验中观 测到了湍流现象。
1877 年法国 Boussinesq. J ，引进了湍流粘 性系数μT。
1883年，Reynolds. O第一次提出了临界雷 诺数，雷诺方程和雷诺应力的概念， 确定了湍流形成的判据和描述湍流运 动的基本方程。
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1925－1932
Prandtl. L，von Karman 和Taylor把湍流流 体元运动和分子热运动类比，建立了湍 流半经验理论，这理论比较成功地解释 了湍流对平均流场影响的一些规律，但 在解释及探讨湍流本身的起伏脉动规律 时却完全失败了。
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1935－1945
Taylor，von Karman和前苏联学者 kolmogorov，Obukhov相继发展了湍流 的统计理论，这些理论也只是解释了均 匀各向同性或局地均匀各向同性湍流运 动规律。
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20世纪60年代以后
大涡拟序结构成了近年来湍流研究的一大 热门。
20世纪80年代以来，非线性理论 领域的研究成果，给湍流研究注入了生 机。
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湍流理论简介
人们把研究重点放在湍流运动的两个不同 阶段上：1、从层流到湍流的转换以及 湍流的发展前期；2、充分发展的湍流 的规律性． 1．湍流的统计理论 2．半经验理论 3．湍流模式理论 4、其它一些理论和方法
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1．湍流的统计理论
统计理论把重点研究湍流的脉动结构，通过建 立不同随机量之间的关联函数，得到随机变 量的统计特性，以此了解湍流的内部结构， 掌握湍流平均流动变量的空间分布与时间演 变的情况。
1. Taylor两点间脉动流速相关联 ； 2. Karman—Howarth方程； 3. Taylor和w．Heisenberg关联函数和谱函数； 4. 热线风速仪促进了统计理论的迅速发展； 5. 50年代以后没有太大的发展。
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2．半经验理论
半经验理论着重研究时均流的运动规律， 它能给出工程应用中人们最感兴趣的一 些物理量，具有很强的实用性。
其核心 是给出二阶脉动速度关联项的表达式。
Boussinesq涡粘性系数； Prandl混合长度理论 Taylor涡量转移理论 Karmann局部运动相似理论
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3．湍流模式理论
半经验理论只能用于较简单的流场，对于比较复 杂的流场，必须引进高阶的封闭模式。
模式是在充分了解湍流现象的基础上，引出一系 列假设，按照一定的原则实现的。
目前比较常用的模式有雷诺应力模式、代数应力 模式、湍流动能方程模式以及涡粘性模式。
计算机技术和数值方法的迅速发展， 使得模式的 应用变得比较简单。
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4、其它一些理论和方法
大涡结构理论以及该理论中所采用的三重 分解法 分数维理论 现代混沌理论 返回
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湍流的特点
传统上认为湍流研究的困难, 测量和非线性 湍流运动的一些基本特征 ： 1. 运动的不规则或随机性 2. 服从于粘性流体运动规律 3. 高雷诺数性质 4. 粘性耗散性质 返回
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大气湍流的复杂性
大气湍流运动比一般湍流还要复杂的多。
主要 有以下三个特点： 1. 大气湍流的尺度范围非常宽广。
2. 由海洋、高山、冰雪、森林、城市等地面 形成了大气湍流非常复杂的边界条件，使 边界层大气湍流具有多种形式的结构。
3. 大气湍流具有多种形式的能源与能汇。
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湍流研究技术的发展
计算机的出现对湍流的研究是个很大的促进，它 提供了解决湍流问题的新途径。
次网格封闭模 型，谱方法 在实验方面，热线风速仪配之以计算机采样和数 据处理加工，数字滤波技木，以及离散快速 Fourier变换等先进数学方法的出现，使得湍流 实验有了重大突破。
激光多普勒测量仪以及近30年迅速发展起来的流 场显示技术等有可能获得流动的小尺度结构逼 真的图象 。
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