第三章╲t近地层气流运动规律.ppt

第三章、近地层气流运动规律 一、大气边界层及其近地面层 二、近地层气流动力学特征 三、近地面气流热力学特征 四、近地层风的基本特征 一、大气边界层　 流体动力学中，把固体边界附近受粘性力作用、流速显著变小、速度梯度很大的流体薄层定义为流体边界层。 在大气物理学上，把空气运动明显受到地面摩擦作用，具有很大风速垂直梯度的大气层称为大气边界层。又称摩擦层。 大气边界层的厚度大致自地面致600~1000m(~1500m) 大气边界层内，高度大约在50~100m的贴近地面的副层c称为近地面层。 1.湍流切应力tuān liú 推法１： 　　　气体分子运动，造成气体分子各部分之间的混合，形成气体由一地方到另一地方的迁移现象称为扩散。与分子运动一样，大气中微团的湍流交换作用也造成各种物理量的输送现象，而求湍流交换比分子交换大几千到几万倍。 在dt 时间内通过dx dy小面元向上输送的某物理量属性： Vt ρSi = ρSi (Wi dx dy dt) 在单位时间内通过dx dy小面元向上输送的某物理量属性： 　　　　　　　　 t + △t 　　　　１／△t　 ( ρSi Wi dx dy ) dt t　 　 = ρSi Wi dx dy 单位时间内通过单位面积向上输送的物理属性——通量 　　　　　　Fs = ρSi Wi 瞬时物理量:　　　Si = S +S’　　运动参数时均化 物理量平均值： Si = S +S’ 任何方向物理量的输送分为两种： 由平均运动引起的物理量属性的输送 　　　　　　 ρS W 由脉动运动引起的物理量属性的输送 　　　　　　　　　 ρS’ W’ 某物理量向下输送为： 　　　　　　－ρS’ W’ 扩散方程：　　 Fs = －ρS’ W’ 单位质量的空气微团所具有的水平运动动量（动量通量）可表示为： τ＝ －ρu’ W’ 类推：热量和水汽通量分别为：　　 　　　　P ＝ρCp θ’w’ 　　　　E＝ρq ’w’　 　推法２： 取与流向层平行A-A的面来考察. 　　　 　　　设想在某一瞬间，原来处于a层的流体，以竖向脉动速度U’y向上运动，穿过平面A-A到达b 层； 　　　 　　　在 △ t时间内通过A-A 面中△ A面积的流体质量为: 　　　a层属于低速层，b曾属于高速层，在比较多的机会Uxb ＞Uxa；所以，从a曾出发的流体，在到达b层以后，它与附近原有的流体比较, 将有较多的机会显示出负值的脉动流速Ux’。 　　　流体到达b层后，b层流体的动量变化为： △ m .Ux’ = ρ. (U’y .△ A .△ t) Ux’ 根据动量定律，动量的变化应该等于在x方向上力△ F的冲量的: △ F .△ t = △ m .Ux’ = ρ. Ux’ .U’y .△ A .△ t △ F为流体质点掺混所引起的在截面A-A 的切力，作用在b　层，方向与流向相反，即对b层流体起到阻碍作用；切应力为 ： 　　　　 τyx＝ 　 △ F ／△A　＝ ρ. Ux’ .U’y 因为每一瞬间的ρ. Ux’ .U’y大小都是随机变化的，取它的时均值进行研究。 τyx = ρ. Ux’ .U’y 　　　若考察符号： 　　　当流体从a层到b层， U’y 为正， Ux’ 为负 当流体从b 层到a层， U’y为负， Ux’为正;　 　　　为了使τyx以为正出现，将上式改为： 　　　　　　　　τyx = －ρ. Ux’ .U’y 根据混合长理论，物理量S的铅垂扩散方程 Fs = －ρL2(ds/dy)2 令　 Ks = L2(ds/dy) Fs = －ρKs(ds/dy) τ＝ －ρu’ W’ = － ρKm (du/dy) 　Km 湍流动量交换系数＿＿＿当速度梯度等于１时，单位质量空气中，单位时间所含动量通过单位面积沿垂直方向转移的数量。 类推： 　　　　P ＝ρCp θ’w’ ＝ρKT (dT/dy) 　　　　E＝ρq ’w’＝ρKq (dq /dy)