湍流的主要特征（三）
• （8）记忆特性（相关性）。湍流运动在不同的时刻或空间不同 点上并不是独立的，而是有相互关联，但这种关联随着时间间隔 或空间距离的增大而变小，最后趋近于零；
• （9）间歇性。内间歇：充分发展的湍流场中某些物理量（特别 是高阶统计量）并不是在空间（或时间）的没一点上都存在的， 即有奇异性。外间歇：指湍流区与非湍流区边界的时空不确定性， 例如积云与蓝天之间的界面。间歇现象是近代湍流研究的重大发 现之一，目前是湍流理论研究的前沿课题;
大涡用动能哺育小涡， 小涡照此把儿女养活。 能量沿代代旋涡传递， 但终于耗散在粘滞里。
大涡旋套小涡旋， 速度有增； 小涡旋套微涡旋， 粘滞乃生。
能量级串
Richardson Model：能量均匀级串模式， 不能刻画间பைடு நூலகம்性；
β Model:在流动由层流转向发达湍流的过程
中,能量由大涡向小涡级串,从空间上看,在给 定尺度上的能量传输率不是各向同性的,而是 间歇脉动的，缺少令人信服的物理解释；
• 适用条件: 湍强不太大 均匀湍流 平稳湍流
大气边界层湍流风速时间序列(一)
大气边界层湍流风速时间序列(二)
湍流是随机的，复杂的 但可以通过统计的方法 来研究
• 大气边界层内的湍流总是包括很多大小不 同、相互叠加的湍涡，这些不同尺度湍涡 的相对强度定义为湍流谱。
• 最大的边界层湍涡接近边界层的厚度（100 －3000km），最小湍涡尺度只有几毫米， 由于分子粘性的耗散作用，其强度非常微 弱。小湍涡以大湍涡为能源。
• Hinze对湍流的定义为：只提不规则运动不全面，“湍流的 各个量在时间和空间上表现出随机性。
• 周培源：湍流为一种不规则的涡旋(eddy)运动。 • ………… • 到目前为止，科学界还无法给出湍流的严格的科学定义
湍流的主要特征（一）
• （1）不规则性和随机性。这是湍流的重要性质，从动力学的观点 来看，湍流必定是不可预测的，研究湍流大多是用统计的方法；
湍流的产生（一）：热力作用
湍流的产生（二）：动力作用 风切变
泰勒假说
• 实际大气观测中很难得到某个瞬间湍流的空间分布
• Taylor(1938):
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.这样,就可以把本来用做时间函数对湍流的测 量变为相应的空间上的测量.
• （4）涡旋。湍流中充斥着大大小小的涡旋，湍流是以高频扰动涡 旋为特征的有旋的三维（准二维）运动，单个的涡旋，例如大气中 二维的龙卷风不是湍流运动;
湍流的主要特征（二）
• （5）耗散性。湍流运动由于分子粘性作用要耗散能力，只 有不断从外部供给能量，湍流才能维持（湍流是一个耗散 系统），太阳辐射加热或封切变就是大气湍流的能源；
• （6）连续性。湍流是一种连续介质的运动现象，因此满足 连续介质力学的基本规律，例如N-S方程；
• （7）流动特性。湍流不是流体的物理属性，而是流动的运 动性质，所以不同的流体其湍流特征往往也不一样，例如 边界层湍流与尾迹湍流，正因为如此（湍流依赖于外部条 件，如边界条件），所以工程上很难对湍流进行统一的模 式处理，但是湍流的一些本质特征是普适的，寻找这些普 遍规律正是湍流理论研究的中心任务；
从层流到湍流 Frisch (1995)
Reynolds数
• 层流～湍流的判据
Re UL
• U：特征速度 • L：特征尺度 • v：分子粘性力
UL： 外力 v： 内力
边界层气象--湍流
大气边界层中湍流的成因
• 热力原因：地面的太阳加热使暖空气热泡 上升，形成湍涡。
• 动力原因：地面对气流的摩擦拖曳力产生 风切变，常常演变为湍流。
平流层 对流层 边界层
~ 10 km 1~2 km
什么是湍流？——湍流现象
达芬奇描绘的湍流
火山爆发
杂乱、随机、无序
什么是湍流——湍流的定义
• Von.Karman和I.G Taylor对湍流的定义：湍流是流体和气 体中出现的一种无规则流动现象，当流体流过固体边界或 相固流体相互流过时会产生湍流。
• （10）猝发与拟序结构。这也是近代湍流研究的重大发现，试验 表明，在湍流混合层和剪切湍流边界层中存在大尺度的相干结构 和猝发现象，说明湍流不是完全无秩序、无内部结构的运动。这 促使人们改变了对湍流的某些传统观念。
从层流到湍流（一）
从层流到湍流 Corssin and Karweit 1969
从层流到湍流（二）
• 虽然湍流运动复杂，随时间、空间的变化极不规则。但是 雷诺平均却有一定的规律性。
实际瞬时风速
湍流部分
平均风速
风速记录的局部放大。u’ 表示阵风或实际瞬时风
速U相对于平均风速 U 的偏离
流的平均部分和湍流部分
➢ 将大尺度变化与湍流分开的方法: 将风速实测资料在30 分钟到1小时的时间内取平均，消除湍流相对于平均值 的正的或负的偏离
湍流的输送/ 消耗（能量 级L. 串F. 理）查森：：
湍Big流wh如orls何hav传e li递ttle能wh量orls？,
Which feed on their velocity; And little whorls have lesser whorls, And so on to viscosity
• （2）扩散性。这是湍流的另一个重要性质，如果某种流动虽然是 随机的，但是它在周围的流体中不出现扩散现象，那么肯定不是湍 流，例如喷气式飞机的尾迹。湍流具有比分子运动强得多的扩散能 力;
• （3）大Reynolds数性质。湍流是一种在大Reynolds数条件下才 出现的现象，即非线性起主导作用，Re越高，越容易出现湍流， 大气边界层的Re可达到108，因此一般总是处于湍流状态;
同步级串（Scnchro Cascade Model）： 在物理图像上反映出级串过程并不是均匀的 由大涡向小涡裂解,事实上含能涡只需一次裂 解便同时形成大、中、小、微各种尺度。
雷诺分解和雷诺平均
• 雷诺分解是研究湍流的一般方法。是把温度和风等变量分 解为平均和扰动两部分。
• 平均部分表示平均温度、平均风速等的影响，扰动部分则 表示叠加在平均温度、风速上的湍流的影响。