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边界层物理--第1页

《边界层物理》复习专题

一、湍流专题：

1、湍流的定义：

Von.Karman和I.GTaylor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

2、湍流的主要特征：

（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;

（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；

（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。

3、Reynolds数：层流～湍流的判据

UL

•Re



•U：特征速度

•L：特征尺度UL：外力

•v：分子粘性力v：内力

4、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。

5、泰勒假说

•（目的）实际大气观测中很难得到某个瞬间湍流的空间分布，故作此假设：

•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.

•适用条件:湍强不太大均匀湍流平稳湍流

6、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。

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uUU

UU

其中，u为瞬时风速，为平均风速，为湍流部分。

雷诺平均：

AAa,BBb

AA