邊界層固有現(xiàn)象課件

1、第二章邊界層固有現(xiàn)象-湍流及其量化 第一部分 湍流介紹根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)Re=21001) Re 2100 層流變?yōu)橥牧鲬?yīng)力變大3) Re 2100 , 問(wèn)題：請(qǐng)計(jì)算邊界層中大氣的Re本章內(nèi)容湍流定義及其介紹研究湍流的方法大氣邊界層中的湍流湍流的統(tǒng)計(jì)特征a) 平均風(fēng)速 b)波 c)湍流湍流定義Turbulence中文：湍流、紊流日文：亂流都體現(xiàn)出一個(gè)共性：不規(guī)則表面直觀的現(xiàn)象，那么本質(zhì)（nature）是什么？小湍渦思考？不規(guī)則性的具體表現(xiàn)？隨機(jī)性、不穩(wěn)定性、間歇性湍流飛瀑黃果樹(shù)瀑布諾日朗瀑布 大湍渦，晴空湍流湍流-流體力學(xué)中公認(rèn)的難題 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

2、他許多進(jìn)步，但在兩個(gè)重要領(lǐng)域被證實(shí)無(wú)能為力。這兩個(gè)領(lǐng)域是：生命系統(tǒng)和湍流。古典物理學(xué)可以描述自大爆炸以來(lái)每一毫微秒的情形，但是對(duì)血液奔流穿過(guò)左心室和長(zhǎng)江中的湍流或是谷物分蘗卻不能完成任何解釋。 自從1883年Reynolds做了著名的實(shí)驗(yàn)以來(lái)，一百多年里一直是科學(xué)的前沿和挑戰(zhàn)性問(wèn)題之一。歷史上，包括von Karman、Kolmogorov、Landau和周培源在內(nèi)的許多著名科學(xué)家對(duì)湍流的研究均未獲得大的成功。在跨越了兩個(gè)世紀(jì)之后的今天，盡管人們對(duì)湍流發(fā)生機(jī)理和湍流運(yùn)動(dòng)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，但是就其本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，對(duì)湍流的認(rèn)識(shí)還很不全面，還有很多基

3、本的問(wèn)題沒(méi)有搞清楚。 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(wèn)題不僅制約了航空、航天、水利、化工等許多工程技術(shù)和大氣科學(xué)、海洋科學(xué)等自然科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，而且“也可能會(huì)對(duì)21世紀(jì)的某些新興科學(xué)技術(shù)的形成起到制約作用”。 大氣湍流的幾個(gè)問(wèn)題1）大氣湍流的發(fā)生機(jī)制2）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) 4）穩(wěn)定層結(jié)條件下的大氣湍流 5）大氣湍流的混沌動(dòng)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)制可分為動(dòng)力學(xué)機(jī)制和熱力學(xué)機(jī)制兩大類 前者主要從大尺度剪切流中獲取能量，后者則主要由熱對(duì)流引起。通常情況下是動(dòng)力和熱力同時(shí)起作用。在大氣鋒面、氣旋、高空槽、切變線、地

4、形等附近，湍流的發(fā)生機(jī)制也同樣是重要的研究課題。 2）大氣湍流的間歇性和標(biāo)度律 大氣湍流不是在時(shí)間和空間上處處充滿的，從時(shí)間上看湍流與非湍流(層流)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，但有明顯的分界面，即具有間歇性。 外間歇性內(nèi)間歇性 外間歇性與內(nèi)間歇性外間歇性：它主要與流動(dòng)的外部邊界條件或流動(dòng)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，也稱為湍流的微結(jié)構(gòu)間歇性 湍流的標(biāo)度律 存在標(biāo)度不變性。這是一種新的、在Re數(shù)很大時(shí)出現(xiàn)的宏觀對(duì)稱性。 如大氣湍流能譜“2/3定律、 “-5/3定律”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好地解釋這些定律。 /hom

5、e.php?mod=space&uid=4185&do=blog&id=286563）大氣湍流的擬序結(jié)構(gòu) 擬序結(jié)構(gòu)是指在相互作用中保持的一種有序的動(dòng)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(dòng)態(tài)過(guò)程是自然界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 如木星大氣湍流中保持穩(wěn)定擬序結(jié)構(gòu)的巨型紅斑 木星Jupiter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)條件下的大氣湍流或弱湍流問(wèn)題是長(zhǎng)期以來(lái)就是一個(gè)的難點(diǎn)。 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)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(gè)急需解決的難題。 大氣湍流的混沌動(dòng)力

6、學(xué)特征 最近十幾年來(lái)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特別是混沌理論和分形理論（自相似）的出現(xiàn)，對(duì)于解釋大氣湍流的發(fā)生、描述湍流場(chǎng)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)等，都提供了新的途徑，并帶來(lái)了許多新的研究課題。 混沌圖象 Lorenz吸引子“蝴蝶的翅膀” 分形分形圖案湍流定義及其介紹研究湍流的方法湍流的統(tǒng)計(jì)特征大氣邊界層中的湍流湍流如此復(fù)雜，如何研究？層流？湍流？ Navier-Stokes 1）湍流統(tǒng)計(jì)理論2）半經(jīng)驗(yàn)理論3）數(shù)值模擬(大渦模擬)湍流統(tǒng)計(jì)理論采用較嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)途徑，對(duì)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)。對(duì)于理解湍流運(yùn)動(dòng)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

7、，從而深刻地揭示微觀與宏觀的內(nèi)在聯(lián)系。各向同性假設(shè)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)知識(shí)，總結(jié)得到一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式或關(guān)系式。 如相似理論。目前邊界層的許多關(guān)系式都是通過(guò)此方法得到的。大氣邊界層中的湍流穩(wěn)定邊界層對(duì)流混合層殘留層Lidar探測(cè)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，廣義地講，整個(gè)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)動(dòng)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。 大氣湍流以近地層大氣表現(xiàn)最為突出，風(fēng)速時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，風(fēng)向不停擺動(dòng)，就是湍流運(yùn)動(dòng)的具體表現(xiàn)。大氣湍流造成流場(chǎng)中各部分之間強(qiáng)烈混

8、合，它能使大氣中的動(dòng)量、熱量、水汽、污染物等產(chǎn)生強(qiáng)烈混合和輸送，能對(duì)建筑物、飛行器等產(chǎn)生作用和影響，還會(huì)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(kāi)放的、三維的、非定常的、非線性的、并具有相干結(jié)構(gòu)的耗散系統(tǒng)，集物理現(xiàn)象的多種難點(diǎn)于一身。 大氣湍流問(wèn)題要比普通流體動(dòng)力學(xué)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(或溫度層結(jié))、下墊面不均勻等許多復(fù)雜因素。尤其是由于地表和大氣熱力作用的影響導(dǎo)致大氣邊界層隨時(shí)間的變化，從而影響湍流結(jié)構(gòu)。大氣湍流的探測(cè)也不象實(shí)驗(yàn)室湍流那樣易于進(jìn)行。 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(dòng)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(huì)受到地球旋轉(zhuǎn)的影響，在研究天氣演變和氣候變化時(shí)它是非常重要的。通常所說(shuō)的大氣湍流主要還是集中在離地面12公里厚的一個(gè)薄層、即所謂大氣邊界層內(nèi)。由于特征尺度很大，大氣邊界層的Reynolds數(shù)相當(dāng)高，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渦均可能存在。 比起普通的實(shí)驗(yàn)室(例如風(fēng)洞中)湍流來(lái)，具有寬得多的譜帶，大氣湍流強(qiáng)度也很大，可達(dá)20%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)和能量的交換過(guò)程大部分都是通過(guò)湍流輸送來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此湍流始終是大氣物理研究的核心問(wèn)題，