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大气湍流基础 王成刚 大气物理系 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。 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； （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; （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； 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; （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。 Reynolds数 层流～湍流的判据 U：特征速度 L：特征尺度 UL： 外力 v：分子粘性力 v： 内力 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。 大气边界层湍流风速时间序列(二) 能量级串 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。 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。 湍流统计参数 平稳湍流、均匀湍流、各向同性湍流 1、方差 （湍流强度 湍流平均动能） 2、相关函数和相关系数 （同一变量） 3、协方差 （不同变量） 4、湍流尺度 相关系数的积分 作业2： U（m/s） 5, 6, 5, 4, 7, 5, 3, 5, 4, 6 W（m/s） 0, 1, -1, 0, -2, 1, 3, 3, -2, 1 求解平均速度， 方差，协方差，相关系数 湍流能谱 傅里叶变换的主要思维： “从时间域 转换到 频率域” 作业3： 推倒N—S的湍流控制方程 5个方程 通量 概念：单位时间通过单位面积上的量 湍流闭合与混合长理论 基本出发点：(1)把湍流看成是分子； (2)把湍流动量交换看成分子动量交换。 分子： 湍流： K理论 局部闭合 K有不同名称： 涡动粘滞系数 涡动扩散率 涡动输送系数 湍流输送系数 梯度输送系数 后者是因为K使湍流通量与有关平均变量的梯度联系起来。 有时不同变量有不同K值，所以把下标“M”用于动量，得到 为涡动粘滞系数。 局部闭合 对于热量和湿度来说，我们将用 和 表示各自的涡动扩散率。 有些实验资料对静力中性条件提出： 我们还不明白 为什么会