邊界層固有現(xiàn)象-----湍流及其量化說課材料

1、邊界層固有現(xiàn)象-湍流及其量化本章內(nèi)容本章內(nèi)容 湍流定義及其介紹湍流定義及其介紹 研究湍流的方法研究湍流的方法 大氣邊界層中的湍流大氣邊界層中的湍流 湍流的統(tǒng)計(jì)特征湍流的統(tǒng)計(jì)特征a) 平均風(fēng)速平均風(fēng)速 b)波波 c)湍流湍流湍流定義湍流定義 Turbulence 中文：湍流、紊流中文：湍流、紊流 日文：亂流日文：亂流都體現(xiàn)出一個共性：不規(guī)則都體現(xiàn)出一個共性：不規(guī)則表面直觀的現(xiàn)象，那么本質(zhì)（表面直觀的現(xiàn)象，那么本質(zhì)（nature）是什么？）是什么？小湍渦小湍渦思考？思考？不規(guī)則性的具體表現(xiàn)？不規(guī)則性的具體表現(xiàn)？隨機(jī)性、不穩(wěn)定性、隨機(jī)性、不穩(wěn)定性、間歇性間歇性湍流飛瀑湍流飛瀑黃果樹瀑布黃果樹瀑布諾日

2、朗瀑布諾日朗瀑布 大湍渦，晴空湍流大湍渦，晴空湍流 傳統(tǒng)科學(xué)創(chuàng)造了汽車、工廠、空間飛行與太空旅傳統(tǒng)科學(xué)創(chuàng)造了汽車、工廠、空間飛行與太空旅行、計(jì)算機(jī)和其他許多進(jìn)步，但在兩個重要領(lǐng)域被證行、計(jì)算機(jī)和其他許多進(jìn)步，但在兩個重要領(lǐng)域被證實(shí)無能為力。這兩個領(lǐng)域是：生命系統(tǒng)和實(shí)無能為力。這兩個領(lǐng)域是：生命系統(tǒng)和。古典。古典物理學(xué)可以描述自物理學(xué)可以描述自大爆炸大爆炸以來每一毫微秒的情形，以來每一毫微秒的情形，但是對血液奔流穿過左心室和長江中的但是對血液奔流穿過左心室和長江中的或是谷物或是谷物分蘗卻不能完成任何解釋。分蘗卻不能完成任何解釋。 自從自從1883年年Reynolds做了著名的實(shí)驗(yàn)以來，一百做了著

3、名的實(shí)驗(yàn)以來，一百多年里一直是科學(xué)的前沿和挑戰(zhàn)性問題之一。歷史上，多年里一直是科學(xué)的前沿和挑戰(zhàn)性問題之一。歷史上，包括包括von Karman、Kolmogorov、Landau和周培源在和周培源在內(nèi)的許多著名科學(xué)家對湍流的研究內(nèi)的許多著名科學(xué)家對湍流的研究均未獲得大的成功均未獲得大的成功。在跨越了兩個世紀(jì)之后的今天，盡管人們對湍流發(fā)生在跨越了兩個世紀(jì)之后的今天，盡管人們對湍流發(fā)生機(jī)理和湍流運(yùn)動規(guī)律的了解有了很大的進(jìn)展，湍流研機(jī)理和湍流運(yùn)動規(guī)律的了解有了很大的進(jìn)展，湍流研究在工程技術(shù)上的應(yīng)用也取得了很大的成就，但是就究在工程技術(shù)上的應(yīng)用也取得了很大的成就，但是就其本質(zhì)上來說，對湍流的認(rèn)識還很不

4、全面，還有很多其本質(zhì)上來說，對湍流的認(rèn)識還很不全面，還有很多基本的問題沒有搞清楚?；镜膯栴}沒有搞清楚。 湍流仍然是擺在全世界科技工作者面湍流仍然是擺在全世界科技工作者面前的難題。周恒院士指出，湍流問題不僅前的難題。周恒院士指出，湍流問題不僅制約了航空、航天、水利、化工等許多工制約了航空、航天、水利、化工等許多工程技術(shù)和程技術(shù)和大氣科學(xué)、海洋科學(xué)大氣科學(xué)、海洋科學(xué)等自然科學(xué)等自然科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，而且的進(jìn)一步發(fā)展，而且“也可能會對也可能會對21世紀(jì)世紀(jì)的某些新興科學(xué)技術(shù)的形成起到制約作的某些新興科學(xué)技術(shù)的形成起到制約作用用”。 大氣湍流的幾個問題大氣湍流的幾個問題1）大氣湍流的發(fā)生機(jī)制）大氣湍

5、流的發(fā)生機(jī)制2）大氣湍流的間歇性和標(biāo)度律）大氣湍流的間歇性和標(biāo)度律 3）大氣湍流的擬序結(jié)構(gòu)）大氣湍流的擬序結(jié)構(gòu) 4）穩(wěn)定層結(jié)條件下的大氣湍流）穩(wěn)定層結(jié)條件下的大氣湍流 5）大氣湍流的混沌動力學(xué)特征）大氣湍流的混沌動力學(xué)特征 1）大氣湍流的發(fā)生機(jī)制）大氣湍流的發(fā)生機(jī)制 大氣湍流的發(fā)生機(jī)制可分為動力學(xué)機(jī)制和熱力大氣湍流的發(fā)生機(jī)制可分為動力學(xué)機(jī)制和熱力學(xué)機(jī)制兩大類學(xué)機(jī)制兩大類 前者主要從大尺度剪切流中獲取能量，后者則前者主要從大尺度剪切流中獲取能量，后者則主要由熱對流引起。通常情況下是動力和熱力主要由熱對流引起。通常情況下是動力和熱力同時起作用。同時起作用。 在大氣鋒面、氣旋、高空槽、切變線、地形等

6、在大氣鋒面、氣旋、高空槽、切變線、地形等附近，湍流的發(fā)生機(jī)制也同樣是重要的研究課附近，湍流的發(fā)生機(jī)制也同樣是重要的研究課題。題。 2）大氣湍流的間歇性和標(biāo)度律）大氣湍流的間歇性和標(biāo)度律 大氣湍流不是在時間和空間上處處大氣湍流不是在時間和空間上處處充滿的，從時間上看湍流與非湍流充滿的，從時間上看湍流與非湍流(層流層流)是交替出現(xiàn)的，從空間上看，湍流與非是交替出現(xiàn)的，從空間上看，湍流與非湍流共存并且交織在一起，但有明顯的湍流共存并且交織在一起，但有明顯的分界面，即具有間歇性。分界面，即具有間歇性。 內(nèi)間歇性內(nèi)間歇性 外間歇性與內(nèi)間歇性外間歇性與內(nèi)間歇性 外間歇性：它主要與流動的外部邊界條外間歇性：

7、它主要與流動的外部邊界條件或流動的大尺度結(jié)構(gòu)有關(guān)件或流動的大尺度結(jié)構(gòu)有關(guān) 內(nèi)間歇性：湍流內(nèi)部的不均勻性造成，內(nèi)間歇性：湍流內(nèi)部的不均勻性造成，也稱為湍流的微結(jié)構(gòu)間歇性也稱為湍流的微結(jié)構(gòu)間歇性 湍流的標(biāo)度律湍流的標(biāo)度律 存在標(biāo)度不變性。這是一種新的、在存在標(biāo)度不變性。這是一種新的、在Re數(shù)很大時出現(xiàn)的宏觀對稱性。數(shù)很大時出現(xiàn)的宏觀對稱性。 如大氣湍流能譜如大氣湍流能譜“2/3定律、定律、 “-5/3定定律律”都是標(biāo)度律的例子都是標(biāo)度律的例子. 到目前為止已有的湍流理論均不能很到目前為止已有的湍流理論均不能很好地解釋這些定律。好地解釋這些定律。 http:/ 擬序結(jié)構(gòu)是指在相互作用中保持的一擬序結(jié)

8、構(gòu)是指在相互作用中保持的一種有序的動態(tài)圖像，非線性系統(tǒng)的相互作種有序的動態(tài)圖像，非線性系統(tǒng)的相互作用產(chǎn)生的穩(wěn)定而持久的動態(tài)過程是自然界用產(chǎn)生的穩(wěn)定而持久的動態(tài)過程是自然界廣泛存在的一類極為重要的現(xiàn)象，一直受廣泛存在的一類極為重要的現(xiàn)象，一直受到科學(xué)家的重視到科學(xué)家的重視 如木星大氣湍流中保持穩(wěn)定擬序結(jié)構(gòu)如木星大氣湍流中保持穩(wěn)定擬序結(jié)構(gòu)的巨型紅斑的巨型紅斑 木星木星Jupiter的巨型紅斑的巨型紅斑 4）穩(wěn)定層結(jié)條件下的大氣湍流）穩(wěn)定層結(jié)條件下的大氣湍流 穩(wěn)定層結(jié)條件下的大氣湍流或弱湍流問穩(wěn)定層結(jié)條件下的大氣湍流或弱湍流問題是長期以來就是一個的難點(diǎn)。題是長期以來就是一個的難點(diǎn)。 生態(tài)系統(tǒng)與大氣之

9、間物質(zhì)和能量的交換生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間物質(zhì)和能量的交換極其重要，農(nóng)作物和森林等植物冠層內(nèi)極其重要，農(nóng)作物和森林等植物冠層內(nèi)的湍流同樣是較弱的，因而如何準(zhǔn)確估的湍流同樣是較弱的，因而如何準(zhǔn)確估算其水份和二氧化碳通量也成了一個急算其水份和二氧化碳通量也成了一個急需解決的難題。需解決的難題。 大氣湍流的混沌動力學(xué)特征大氣湍流的混沌動力學(xué)特征 最近十幾年來非線性科學(xué)的迅速發(fā)展給最近十幾年來非線性科學(xué)的迅速發(fā)展給大氣湍流研究注入了新的活力大氣湍流研究注入了新的活力 特別是混沌理論和分形理論（自相似）特別是混沌理論和分形理論（自相似）的出現(xiàn)，對于解釋大氣湍流的發(fā)生、描的出現(xiàn)，對于解釋大氣湍流的發(fā)生、描述湍流

10、場復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)等，都提供了述湍流場復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)等，都提供了新的途徑，并帶來了許多新的研究課題。新的途徑，并帶來了許多新的研究課題。 混沌圖象混沌圖象 Lorenz吸引子吸引子“蝴蝶的翅膀蝴蝶的翅膀” 分形分形分形圖案分形圖案 湍流定義及其介紹湍流定義及其介紹 研究湍流的方法研究湍流的方法 湍流的統(tǒng)計(jì)特征湍流的統(tǒng)計(jì)特征 大氣邊界層中的湍流大氣邊界層中的湍流湍流如此復(fù)雜，如何研究？湍流如此復(fù)雜，如何研究？ 層流？層流？ 湍流？湍流？ Navier-Stokes 1）湍流統(tǒng)計(jì)理論）湍流統(tǒng)計(jì)理論2）半經(jīng)驗(yàn)理論）半經(jīng)驗(yàn)理論3）數(shù)值模擬）數(shù)值模擬(大渦模擬大渦模擬)湍流統(tǒng)計(jì)理論湍流統(tǒng)計(jì)理論 采用較嚴(yán)格

11、的統(tǒng)計(jì)途徑，對湍流內(nèi)部進(jìn)行分析，采用較嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)途徑，對湍流內(nèi)部進(jìn)行分析，研究各種量的相關(guān)矩和譜函數(shù)。研究各種量的相關(guān)矩和譜函數(shù)。 對于理解湍流運(yùn)動中的很多基本性質(zhì)和概念十分對于理解湍流運(yùn)動中的很多基本性質(zhì)和概念十分有用，因?yàn)樗D從微觀導(dǎo)出宏觀，從而深刻地有用，因?yàn)樗D從微觀導(dǎo)出宏觀，從而深刻地揭示微觀與宏觀的內(nèi)在聯(lián)系。揭示微觀與宏觀的內(nèi)在聯(lián)系。 各向同性假設(shè)各向同性假設(shè)半經(jīng)驗(yàn)理論半經(jīng)驗(yàn)理論 根據(jù)大量數(shù)據(jù)，運(yùn)用量綱分析和統(tǒng)計(jì)學(xué)知根據(jù)大量數(shù)據(jù)，運(yùn)用量綱分析和統(tǒng)計(jì)學(xué)知識，總結(jié)得到一個經(jīng)驗(yàn)公式或關(guān)系式。識，總結(jié)得到一個經(jīng)驗(yàn)公式或關(guān)系式。 如相似理論。如相似理論。 目前邊界層的許多關(guān)系式都是通過此

12、方法目前邊界層的許多關(guān)系式都是通過此方法得到的。得到的。大氣邊界層中的湍流大氣邊界層中的湍流穩(wěn)定邊界層穩(wěn)定邊界層對流混合層對流混合層殘留層殘留層Lidar探測的邊界層湍流圖象探測的邊界層湍流圖象wind = 2m/swind range: 5m/s 15m/s 我們生活的地球被大氣所包圍，我們生活的地球被大氣所包圍，廣義地講，整個地球大氣系統(tǒng)都可廣義地講，整個地球大氣系統(tǒng)都可以看作是處在具有寬廣尺度湍流運(yùn)以看作是處在具有寬廣尺度湍流運(yùn)動的狀態(tài)，因此湍流研究具有極為動的狀態(tài)，因此湍流研究具有極為重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 大氣湍流以近地層大氣表現(xiàn)最為突出，大氣湍

13、流以近地層大氣表現(xiàn)最為突出，風(fēng)速時強(qiáng)時弱，風(fēng)向不停擺動，就是湍流風(fēng)速時強(qiáng)時弱，風(fēng)向不停擺動，就是湍流運(yùn)動的具體表現(xiàn)。大氣湍流造成流場中各運(yùn)動的具體表現(xiàn)。大氣湍流造成流場中各部分之間強(qiáng)烈混合，它能使大氣中的動量、部分之間強(qiáng)烈混合，它能使大氣中的動量、熱量、水汽、污染物等產(chǎn)生強(qiáng)烈混合和輸熱量、水汽、污染物等產(chǎn)生強(qiáng)烈混合和輸送，送，能對建筑物、飛行器等產(chǎn)生作用和影能對建筑物、飛行器等產(chǎn)生作用和影響，還會使大氣折射性質(zhì)發(fā)生變化從而導(dǎo)響，還會使大氣折射性質(zhì)發(fā)生變化從而導(dǎo)至電磁波和聲波被散射，湍流是一種開放至電磁波和聲波被散射，湍流是一種開放的、三維的、非定常的、非線性的、并具的、三維的、非定常的、非線性

14、的、并具有相干結(jié)構(gòu)的耗散系統(tǒng)，集物理現(xiàn)象的多有相干結(jié)構(gòu)的耗散系統(tǒng)，集物理現(xiàn)象的多種難點(diǎn)于一身。種難點(diǎn)于一身。 大氣湍流問題要比普通流體動力學(xué)大氣湍流問題要比普通流體動力學(xué)湍流復(fù)雜。除了經(jīng)常存在風(fēng)速剪切外，湍流復(fù)雜。除了經(jīng)常存在風(fēng)速剪切外，還存在著密度分層還存在著密度分層(或溫度層結(jié)或溫度層結(jié))、下墊面、下墊面不均勻等許多復(fù)雜因素。尤其是由于地不均勻等許多復(fù)雜因素。尤其是由于地表和大氣熱力作用的影響導(dǎo)致大氣邊界表和大氣熱力作用的影響導(dǎo)致大氣邊界層隨時間的變化，從而影響湍流結(jié)構(gòu)。層隨時間的變化，從而影響湍流結(jié)構(gòu)。大氣湍流的探測也不象實(shí)驗(yàn)室湍流那樣大氣湍流的探測也不象實(shí)驗(yàn)室湍流那樣易于進(jìn)行。易于進(jìn)行

15、。 湍流是大氣系統(tǒng)中復(fù)雜現(xiàn)象的集中體現(xiàn)。湍流是大氣系統(tǒng)中復(fù)雜現(xiàn)象的集中體現(xiàn)。它主要是由大氣動力狀態(tài)和熱力狀態(tài)的不它主要是由大氣動力狀態(tài)和熱力狀態(tài)的不均勻作用而引起的。大尺度湍流還會受到均勻作用而引起的。大尺度湍流還會受到地球旋轉(zhuǎn)的影響，在研究天氣演變和氣候地球旋轉(zhuǎn)的影響，在研究天氣演變和氣候變化時它是非常重要的。通常所說的大氣變化時它是非常重要的。通常所說的大氣湍流主要還是集中在離地面湍流主要還是集中在離地面12公里厚的一公里厚的一個薄層、即所謂個薄層、即所謂內(nèi)。由于特征內(nèi)。由于特征尺度很大，大氣邊界層的尺度很大，大氣邊界層的Reynolds數(shù)相當(dāng)數(shù)相當(dāng)高，湍流分布在很寬的尺度上，小到毫米高，

16、湍流分布在很寬的尺度上，小到毫米尺度的旋渦，大到百米甚至公里尺度的旋尺度的旋渦，大到百米甚至公里尺度的旋渦均可能存在。渦均可能存在。 比起普通的實(shí)驗(yàn)室比起普通的實(shí)驗(yàn)室(例如風(fēng)洞中例如風(fēng)洞中)湍流來，湍流來，具有寬得多的譜帶，大氣湍流強(qiáng)度也很大，可具有寬得多的譜帶，大氣湍流強(qiáng)度也很大，可達(dá)達(dá)20%左右。大氣邊界層是大氣與下墊面直接左右。大氣邊界層是大氣與下墊面直接發(fā)生相互作用的層次，地氣之間物質(zhì)和能量的發(fā)生相互作用的層次，地氣之間物質(zhì)和能量的交換過程大部分都是通過湍流輸送來實(shí)現(xiàn)的，交換過程大部分都是通過湍流輸送來實(shí)現(xiàn)的，因此湍流始終是大氣物理研究的核心問題，它因此湍流始終是大氣物理研究的核心問題，它與天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測等有非常密切的關(guān)系。與天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測等有非常密切的關(guān)系。由于人類的生命和工程活動幾乎都是發(fā)生在