什么是边界层
传热学第五章答案
第五章复习题1、试用简明的语言说明热边界层的概念。
答：在壁面附近的一个薄层内，流体温度在壁面的法线方向上发生剧烈变化，而在此薄层之外，流体的温度梯度几乎为零，固体表面附近流体温度发生剧烈变化的这一薄层称为温度边界层或热边界层。
2、与完全的能量方程相比，边界层能量方程最重要的特点是什么？答：与完全的能量方程相比，它忽略了主流方向温度的次变化率σα22x A ，因此仅适用于边界层内，不适用整个流体。
3、式（5—4）与导热问题的第三类边界条件式（2—17）有什么区别？答：=∂∆∂-=yyt th λ（5—4）)()(f w t t h h t-=∂∂-λ （2—11）式（5—4）中的h 是未知量，而式（2—17）中的h 是作为已知的边界条件给出，此外（2—17）中的λ为固体导热系数而此式为流体导热系数，式（5—4）将用来导出一个包括h 的无量纲数，只是局部表面传热系数，而整个换热表面的表面系数应该把牛顿冷却公式应用到整个表面而得出。
4、式（5—4）表面，在边界上垂直壁面的热量传递完全依靠导热，那么在对流换热中，流体的流动起什么作用？答：固体表面所形成的边界层的厚度除了与流体的粘性有关外还与主流区的速度有关，流动速度越大，边界层越薄，因此导热的热阻也就越小，因此起到影响传热大小5、对流换热问题完整的数字描述应包括什么内容？既然对大多数实际对流传热问题尚无法求得其精确解，那么建立对流换热问题的数字描述有什么意义？答：对流换热问题完整的数字描述应包括：对流换热微分方程组及定解条件，定解条件包括，（1）初始条件 （2）边界条件 （速度、压力及温度）建立对流换热问题的数字描述目的在于找出影响对流换热中各物理量之间的相互制约关系，每一种关系都必须满足动量，能量和质量守恒关系，避免在研究遗漏某种物理因素。
基本概念与定性分析5-1 、对于流体外标平板的流动，试用数量级分析的方法，从动量方程引出边界层厚度的如下变化关系式：x xRe 1~δ解：对于流体外标平板的流动，其动量方程为：221xy u v dx d y u v x y u ∂+-=∂∂+∂∂ρρ 根据数量级的关系，主流方的数量级为1，y 方线的数量级为δ则有2211111111δρδδv +⨯-=⨯+⨯ 从上式可以看出等式左侧的数量级为1级，那么，等式右侧也是数量级为1级， 为使等式是数量级为1，则v 必须是2δ量级。
化工传递过程基础简答题
化工传递过程基础简答题1、如何从分子传质和边界层理论两个角度理解三传之间存在的共性答：（1）通量=－扩散系数×浓度梯度（2）动量、热量、和质量的扩散系数的量纲相同，其单位均为m2/s（3）通量为单位时间内通过与传递方向相垂直的单位面积上的动量、热量和质量各量的量的浓度梯度方向相反，故通量的表达式中有一负号。
边界层理论：速度、温度、浓度边界层的定义是类似的，它们均为流动方向距离x 的函数。
设流体流动方向为x 方向，垂直壁面的方向为y 方向。
（1）在边界层内（y <δ），受壁面影响，梯度大，不可忽略粘性力、法向热传导或法 向分子扩散。
（2）在层外主流层(y>δ)，梯度基本不变，可以忽略粘性力、法向热传导或法向分扩 散。
（3）通常约定：边界层的厚度为达到主体浓度99%是流动方向距离距离x 的长度。
2、以雷诺类似律为例说明三种传递现象之间的类似。
答：设流体以湍流流过壁面，流体与壁面间进行动量、热量和质量传递。
雷诺假定，湍流主体一直延伸到壁面。
设单位时间单位面积上 ，流体与壁面间所交换的质量为M 。
单位时间单位面积上交换的动量为；；由：又：得单位时间单位面积上交换的热量为由: 所以 单位时间单位面积上交换的组分A 的质量为 由联立得 ；3、简述流体流动的两种观点欧拉法和拉格朗日方法。
答：欧拉观点：着眼于流场中的空间点，以流场中的固定空间点（控制体）为考察对象，研究流体质点通过空间固定点时的运动参数随时间的变化规律。
然后综合所有空间点的运动参数随时间的变化，得到整个流场的运动规律拉格朗日观点：着眼于流场中的运动着的流体质点（系统），跟踪观察每一个流体质点的运动轨迹及其速度、压力等量随时间的变化。
然后综合所有流体质点的运动，得到整个流场的b u f M ρ2=)(s b s b u u M Mu Mu s -==-τ22b u f s ρτ=0=s u ()b b p p s p s q Mc t Mc t Mc t t A -==-()q h t t s b A=-/pM h c =)(As Ab As Ab A c c c c M M M N -=-=ρρρ)(0As Ab A c c c k N -=0cM k ρ=02b P c f h M u k c ρρ===运动规律4、体系的温度函数为t=f(θ,x,y,z)，写出温度函数t对时间θ的偏导数、全倒数以及随体导数，并说明其各项的含义。
化工面试问题及答案
化工专业面试时，自我介绍想一矢中的，首先必须知道你能带给公司什么好处。
以下是为你整理的化工面试问题及答案，希望能帮到你。
化工面试题及答案一、专业综合知识(大部分化工原理+少量反应工程)1. 层流和湍流的区别?层流：质点沿管轴做有规则的平行运动，各质点互不碰撞，互不混合。
湍流：质点做不规则的杂乱运动并相互碰撞，产生大大小小的漩涡。
前进阻力增大。
2. 什么是边界层?边界层的分类?边界层：当流体流经固体壁面时，由于流体具有黏性，在垂直于流体流动方向上便产生了流度梯度。
在壁面附近存在着较大的速度梯度的流体层，成为流动边界层，简称边界层。
边界层外黏性不起作用，速度梯度可视为零。
在平板前缘处，边界层较薄，流体的流动总是层流，称层流边界层。
在具体前缘一定距离的临界距离处，边界层内的流动由层流变湍流，此后的边界层称湍流边界层。
3. 离心泵的特性曲线有哪些?绘制特性曲线有什么意义?什么是离心泵的扬程?(1)压头—送液能力曲线(H～Q曲线);(2)功率-送液能力曲线(N～Q曲线);(3)效率—送液能力曲线(η～Q曲线);(4)允许吸上真空度，送液能力曲线(Hs～Q曲线)。
根据H～Q曲线，可以预测在一定的管路系统中，这台离心泵的实际送液能力有多大，能否满足需要;根据N～Q曲线，可以预测这种类型的离心泵在某一送液能力下运行时,驱动它要消耗多少能量，这样可以配置一台大小合适的动力设备;根据η～ Q曲线,可以预测这台离心泵在某一送液能力下运行时效率的高低，使离心泵能够在适宜的条件下运行,以发挥其最大效率;而根据 Hs～Q曲线就可以通过计算决定水泵的安装高度。
扬程又称压头，指的是单位重量流体经泵所获得的能量4. 如何进行离心泵的选型?(1)确定输送系统的流量与压头。
流量如果在一定范围内波动，要按最大流量考虑，压头则有伯努利方程计算(2)选择泵的类型和型号。
根据输送液体的性质和操作条件确定泵的类型，按照已经确定的流量，压头从给出的泵的目录中选出的型号(3)核算泵的轴功率5. 什么是气缚现象和汽蚀现象?如何防止?离心泵启动时，若泵内存在空气，由于空气密度很低，旋转后产生的离心力很小，因而叶轮中心区所形成的低压不足以将贮槽内的液体吸入泵内，虽然启动离心泵也不能输送液体。
流体力学习题4
第四章流动阻力和水头损失复习思考题1．怎样判别粘性流体的两种液态——层流和紊流？2．为何不能直接用临界流速作为判别液态（层流和紊流）的标准？3．常温下，水和空气在相同的直径的管道中以相同的速度流动，哪种流体易为紊流？4．怎样理解层流和紊流切应力的产生和变化规律不同，而均匀流动方程式0gRJτρ=对两种液态都适用？5．紊流的瞬时流速、时均流速、脉运流速、断面平均流速有何联系和区别？6．何谓粘性底层？它对实际流动有何意义？7．紊流不同阻力区（光滑区，过渡区，粗糙区）沿程摩擦阻系数λ的影响因素何不同？8．什么是当量粗糙？当量粗糙高度是怎样得到的？9．比较圆管层流和紊流水力特点（切应力、流速分布、沿程水头损失、没种摩系数）的差异。
10．造成局部水头损失的主要原因是什么？11．什么是边界层？提出边界层概念对水力学研究有何意义？]12．何谓绕流阻力，怎样计算？习题选择题4-1 水在垂直管内由上向下流动，测压管水头差h，两断面间沿程水头损失，则：（a）h f=h；（b）h f=h+l；（c）h f=l－h；（d）h f=l。
4-2 圆管流动过流断面上切应力分布为：（a）在过流断面上是常数；（b）管轴处是零，且与半径成正比；（c）管壁处是零，向管轴线性增大；（d）按抛物线分布。
4-3 在圆管流中，紊流的断面流速分布符合：（a）均匀规律；（b）直线变化规律；（c）抛物线规律；（d）对数曲线规律。
4-4 在圆管流中，层流的断面流速分布符合：（a）均匀规律；（b）直线变化规律；（c）抛物线规律；（d）对数曲线规律。
4-5 半圆形明渠半径r0=4m，水力半径为：（a）4m；（b）3m；（c）2m；（d）1m。
4-6变直径管流，细断面直径为d1，粗断面直径d2=2d1，粗细断面雷诺数的关系是：（a）Re1=0.5 Re2；（b）Re1= Re2；（c）Re1=1.5 Re2；（d）Re1=2 Re2。
4-7 圆管层流，实测管轴线上流速为4m/s，则断面平均流速为：（a）4 m/s；（b）3 .2m/s；（c）2 m/s；（d）1 m/s。
化工面试问题及答案
液-液混合、气-液混合和固-液混合7.自由沉降中，颗粒受到的阻力随流型怎样变化?球形度的影响如何?雷诺数与小变大，阻力系数分布满足斯托克斯定律区，艾伦定律区，牛顿定律区。
由于阻力系数不同，可以分别求出滞留区，过渡区，湍流区的沉降速度公式。
球形或接近球形颗粒比同体积非球形颗粒沉降要快些。
8.如何强化传热?(1)降低流量，提高流速，加剧湍流(2)增大传热面积，并且并联串联换热器(3)提高加热蒸汽压力，增大平均温度差，以提高传热推动力(4)加扰流子，增大扰动，从而提高对流传热系数(5)定期清理污垢9.怎样选择换热器中流体的流径?(1)不洁净或易结垢的流体宜走管内，因为管内清洗方便。
(2)腐蚀性的流体宜走管内，以避免管子和壳体同时受到腐蚀，切易于清洗(3)压强高的流体宜走管内，以避免壳体受压，减小壳程金属耗量(4)饱和蒸汽宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较为干净，清洗无要求(5)有毒流体宜走管内，使泄漏机会减小(6)被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外散热作用，增强冷凝效果(7)粘度大的液体或流量小的液体宜走管间，可利用外壳向外散热，增强冷凝效果(8)对刚性结构的换热器，若量流体的温度差较大，对流传热系数较大者宜走管间，因为壁面温度与传热系数大的温度相近，减少热应力选择流体流径时，上述各点不能兼顾，应首先考虑流体压强，腐蚀性，清洗等要求，然后核对对流传热系数和压强降。
根据H～Q曲线，可以预测在一定的管路系统中，这台离心泵的实际送液能力有多大，能否满足需要;根据N～Q曲线，可以预测这种类型的离心泵在某一送液能力下运行时,驱动它要消耗多少能量，这样可以配置一台大小合适的动力设备;根据η～Q曲线,可以预测这台离心泵在某一送液能力下运行时效率的高低，使离心泵能够在适宜的条件下运行,以发挥其最大效率;而根据Hs～Q曲线就可以通过计算决定水泵的安装高度。
流体及其主要物理性质
第1章流体及其主要物理性质一、概念1、什么是流体？什么是连续介质模型？连续介质模型的适用条件；2、流体粘性的定义；动力粘性系数、运动粘性系数的定义、公式；理想流体的定义及数学表达；牛顿内摩擦定律（两个表达式及其物理意义）；粘性产生的机理，粘性、粘性系数同温度的关系；牛顿流体的定义；3、可压缩性的定义；体积弹性模量的定义、物理意义及公式；气体等温过程、等熵过程的体积弹性模量；不可压缩流体的定义及体积弹性模量；4、作用在流体上的两种力。
二、计算1、牛顿内摩擦定律的应用－间隙很小的无限大平板或圆筒之间的流动。
第2章流体静力学一、概念1、流体静压强的特点；理想流体压强的特点（无论运动还是静止）；2、静止流体平衡微分方程，物理意义及重力场下的简化；3、不可压缩流体静压强分布（公式、物理意义），帕斯卡原理；4、绝对压强、计示压强、真空压强的定义及相互之间的关系；5、各种U型管测压计的优缺点；6、作用在平面上的静压力（公式、物理意义）。
二、计算1、U型管测压计的计算；2、绝对压强、计示压强及真空压强的换算；3、平壁面上静压力大小的计算。
第3章流体运动概述一、概念1、描述流体运动的两种方法（着眼点、数学描述、拉格朗日及欧拉变数）；2、流场的概念，定常场、非定常场、均匀场、非均匀场的概念及数学描述；3、一元、二元、三元流动的概念；4、物质导数的概念及公式：物质导数（质点导数）、局部导数（当地导数）、对流导数（迁移导数、位变导数）的物理意义、数学描述；流体质点加速度、不可压缩流体、均质不可压缩流体的数学描述；5、流线、迹线、染色线的定义、特点和区别，流线方程、迹线方程，什么时候三线重合；流管的概念；6、线变形的概念：相对伸长率、相对体积膨胀率公式，不可压缩流体的相对体积膨胀率应为什么？旋转的概念：旋转角速度公式，什么样的流动是无旋的？角变形率公式。
7、微分形式连续方程的适用条件、物理意义、公式及各种简化形式。
二、计算1、物质导数的计算，如流体质点加速度或流体质点某物理量对时间的变化率；2、相对体积膨胀率、旋转角速度、角变形率的计算；3、流线、迹线方程的计算。
流体力学中的边界层
流体力学中的边界层流体力学是研究流体运动的学科，常被应用在航空航天、汽车工程、水利工程等领域。
在流体力学的研究中，边界层是一个重要的概念。
本文将详细介绍流体力学中的边界层，并探讨其在流体运动中的作用。
一、边界层的定义与特点边界层是指流体靠近固体表面时产生的速度变化区域。
在边界层内，流体分子的速度会从0逐渐增加到与无穷远处的流体速度相同。
边界层的厚度远小于流体流动的其他尺度，通常为几个毫米到几厘米。
边界层的形成是流体黏性的结果。
由于流体分子之间的相互作用力，流体靠近固体表面时速度受到阻碍，形成了速度梯度。
二、边界层的分类根据边界层内流体速度的变化情况，边界层可以分为层流边界层和湍流边界层两种。
1. 层流边界层在层流流动中，流体分子的运动呈现有序且平稳的状态，流体速度沿流向的变化较为平缓。
2. 湍流边界层在湍流流动中，流体分子的运动呈现无序且不规则的状态，流体速度发生剧烈的变化。
湍流边界层中的速度梯度较大，流体分子之间的相互作用力较弱。
三、边界层的影响与应用边界层在流体运动中具有重要的影响和应用价值。
1. 摩擦阻力由于边界层内流体速度的减小，流体分子受到表面的阻碍，从而形成摩擦阻力。
摩擦阻力是流体运动中的一种能量损失，对于提高流体系统的效率具有重要意义。
2. 粘性传递在边界层内，流体分子之间由于黏性力的作用而传递动量和热量。
这种粘性传递是实现物质交换和传热的重要途径，对于生物和化工过程中的传质、传热现象起到重要的作用。
3. 边界层控制通过调整边界层的特性，可以改变流体的运动状态和性能。
在航空航天和汽车工程中，通过设计机身或车身的表面形状，可以减小边界层的厚度，降低阻力，提高飞行器或汽车的速度和燃油效率。
4. 边界层测量与数值模拟为了研究边界层的特性和行为，科学家们开发了一系列的实验技术和数值模拟方法。
通过测量边界层内流体速度和压力的分布，以及进行数值模拟计算，可以更好地理解和预测流体运动中的边界层现象。
流体力学简答题总结
流体力学简答题总结简答题1.什么是等压面？等压面有什么性质？压强相等的点组成的面。
性质：1）等压面与质量力正交。
2）质量力只有重力作用的流体的等压面是水平面。
3）等压面就是等势面。
4）自由液面和液体的交界面是等压面。
2.什么是绝对压强，什么是相对压强？绝对压强是以绝对真空为基准的压强，相对压强是以当地大气压强为基准的压强。
3.压力体的构成是什么?如何确定实压力体和虚压力体?压力体的构成1）曲面本身。
2）自由液面或自由液面的延长面。
3）曲面边缘向自由液面或自由液面的延长面所引的垂面。
确定实、虚压力体压力体与曲面本身相接处的部分如果有液体存在就是实压力体，压力方向向下；否则为需压力体，压力方向向上。
4.“恒定流与非恒定流”，“均匀流与非均匀流”，“渐变流与急变流”是如何定义的？(1)液体运动时，若任何空间点上所有的运动要素都不随时间而改变，这种水流称为恒定流。
若任何空间点上所有的运动要素随时间发生了变化，这种水流称为非恒定流。
(2)在恒定流中，液流同一流线上液体质点流速的大小和方向均沿程不变地流动，称为均匀流。
当流线上各质点的运动要素沿程发生变化，流线不是彼此平行的直线时，称为非均匀流。
(3)流线接近于平行直线的流动称为渐变流，流线的曲率较大，流线之间的夹角也较大的流动，称为急变流。
5.试用能量方程解释飞机的升力是如何产生的。
答：飞机机翼呈上凸下凹状，当空气流经机翼时，其上侧流速较大，压力较小；下侧流速较小压力较大，从而在机翼上下产生了一个压力差，此即为飞机的升力。
6.用伯努利能量方程解释为什么在炎热的夏天，当火车开动后，车厢里顿时会有风从车厢两侧吹进？答：当火车开动后，车厢内的空气获得一定的流速，该流速远大于火车周围的空气流速。
由伯努利方程\2\2可知，越靠近车厢处，空气的压强就越小。
从而产生了一个指向车厢的压力差。
在此压力差的作用下，空气就经由车窗被吹进了车厢内。
7.总流能量方程的物理意义是什么？试说明方程中各项的物理意义？答：总流的能量方程表述为：Z11\1V12\22.....它的物理意义是：水流只能从总机械能大的地方流向总机械能小的地方。
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什么是边界层?广义讲:在流体介质中,受边界相对运动以及热量和物质交换影响最明显的那一层流体。
具体到大气边界层,是指受地球表面摩擦以及热过程和蒸发显著影响的大气层。
大气边界层厚度,一般白天约为1.0km,夜间大约在0.2km左右,地表提供的物质和能量主要消耗和扩散在大气边界层内。
大气边界层是地球-大气之间物质和能量交换的桥梁。
全球变化的区域响应以及地表变化和人类活动对气候的影响均是通过大气边界层过程来实现的。
什么是湍流?英文湍流为“turbulence”,日文为“乱流”,湍流简单定义:流体微团进行的有别于一般宏观运动的不规则的随机运动,从宏观上看,它没有稳定的运动方向,但它能够象分子运动一样通过其随机运动过程有规律地传递物质和能量。
从1915年由Taylor[1]提出大气中的湍流现象到1959年Priestley[2]提出自由对流大气湍流理论,可以说,到20世纪50年代以前经典的湍流理论基本上已经形成。
以后,湍流理论基本上再没有出现大的突破。
1905年Ekman[3]从地球流体力学角度提出了著称于世的Ekman螺线,在此基础上形成了行星边界层的概念,他的基本观点仍沿用至今。
1961年,Blackadar[4]引入混合长假定,用数值模式成功地得到了中性时大气边界层具体的风矢端的螺旋图象。
行星边界层的提出使人们认识到了大气边界层在大气中的特殊性和一些奇妙的规律。
从20世纪50年代开始,由于农业、航空、大气污染和军事科学的需要,掀起了大气边界层研究的高潮。
1954年, Monin和Obukhov[5]提出了具有划时代意义的Monin—Obukhov相似性理论,建立了近地层湍流统计量和平均量之间的联系。
1982年,Dyer[6]等利用1976年澳大利亚国际湍流对比实验ITCE对其进行完善使得该理论有了极大的应用价值。
1971年Wyngaard[7]提出了局地自由对流近似,补充了近地面层相似理论在局地自由对流时的空白。
从20世纪70年代开始,随着大气探测技术和研究方法的发展,特别是雷达技术,飞机机载观测, 系留气球和小球探空观测以及卫星遥感和数值模拟等手段的出现,大气边界层的研究开始从近地层向整个边界层发展。
简洁地概括,对大气边界层物理结构研究贡献最突出的是两大野外实验和一个数值实验,即澳大利亚实验的Wanggara和美国的Min-nesota实验以及Deardorff的大涡模拟实验。
相似性理论是大气边界层气象学中最主要的分析和研究手段之一,在建立了比较成熟的用于描述大气近地面层的Monin—Obukhov相似性理论以后,人们开始寻求类似的全边界层的相似性理论。
国际上,除Neuwstadt[8]、Shao[9]等做了大量工作外,我国胡隐樵等以野外实验验证了局地相似性理论,并建立了各种局地相似性理论之间的关系。
张强等还对局地相似性理论在非均匀下垫面近地面层的适应性做了一些研究。
自1895年雷诺平均方程建立以来,该方程组的湍流闭合问题是至今未解决的一个跨两个世纪的科学难题。
人们发展湍流闭合理论,以达到能够数值求解大气运动方程,实现对大气的数值模拟。
闭合理论有一阶局地闭合理论即K闭合。
1990年HoIt-sIag[12]在1972年理论框架的基础上,用大涡模拟资料对K理论做了负梯度输送的重大修正。
为更精确地求解大气运动方程,也为了满足中小尺度模式,特别是大气边界层模式刻画边界层湍流通量和其它高阶矩量的目的,高阶湍流闭合技术也开始被模式要求。
由于大气边界层研究是以野外探测实验为基础的实验性很强的科学,我国以往由于经济落后,无法得到第一手的实验资料,研究相对落后,与国外相比,总体上差距在20a左右,但我国学者在大气边界层的研究中也有其特殊贡献:1940年周培源先生[13]提出的湍流应力方程模式理论,被认为是湍流模式理论开始的标志,这一工作奠定了他在国际湍流研究领域的崇高地位。
苏从先等在上世纪50年代给出的近地面层通量廓线与当时国外同类研究同步,被国外学者称为“苏氏定律”,在上世纪80年代苏从先等首次发现了干旱区边界层的绿洲“冷岛效应”结构。
上世纪70年代周秀骥[16]提出的湍流分子动力学理论也很有独特的见解。
1981年周明煜[17]提出的大气边界层湍流场团块结构是对湍流结构的新认识。
上世纪80~90年代赵鸣[18]对边界层顶抽吸作用的研究是对Charney—Eiassen公式的很好发展。
在20世纪90年代的“黑河实验”中,胡隐樵等和张强[19]首次发现了邻近绿洲的荒漠大气逆湿,并总结提出了绿洲与荒漠相互作用下热力内边界层的特征等等。
国内外有关大气边界层和大气湍流的专著已有数十本,其中,起里程碑作用的几本专著对大气边界层的发展做出了特殊贡献。
1953年Sutton[20]著的《微气象学》、1973年Haugen[21]等著的《微气象学》、1984年Panofsky等[22]著的《大气湍流》、1988年StuII[23]著的《边界层气象学导论》和1992年Gar-ratt[24]著的《大气边界层》等。
国内直到20世纪90年代才出现大气边界层专著,较有代表性的是1990 年赵鸣等[25]编著的《边界层气象学教程》。
综上所述,到上世纪70年代,对均匀下垫面大气边界层物理结构,基本有了比较全面的认识,大气边界层基础理论基本上已经形成。
从20世纪80年代到目前的20多年间,除了数值模拟水平和观测技术等实验手段有较大提高外,大气边界层领域的工作,几乎主要集中在解决大气数值模式中边界层和地表通量参数化问题上,而在理论研究方面则显得过于平静。
因此,最近20多年实际上是大气边界层研究领域发展相对比较缓慢的时期。
张强大气边界层气象学研究综述干旱气象21（3）2003年9月74-781大气边界层物理学的发展1.1湍流理论的产生和发展大气边界层气象学是以湍流理论为基础的,在湍流理论有了一定的发展之后才得以有边界层气象学的产生。
早在1883年Reynolds首先在试验室发现了湍流[1],随后1904年Plandtl首先提出了湍流混合长理论[2],从而形成了最基本的湍流理论基础。
但地球大气中的湍流现象直到1915年才由Taylor[3]首先提出,并开始了最初的研究。
湍流运动在大气中的发现使这一特殊运动形式更加引起科学家们的重视。
这以后,湍流理论的发展进入了相对较快的阶段。
1935年Taylor[4]提出了湍流均匀各向同性理论,得到了表征湍流细微结构的尺度,初步奠定了湍流统计理论的基础。
随后1938年Karman等推导出了著名的Karman-Howarth方程[5],使湍流统计理论更加趋于成熟。
1941年前苏联科学家Kol-mogorov[6]把量纲分析原理用于湍流研究,推导出了著名的结构函数“2/3律”。
很长一个时期,湍流研究是基本上不考虑热力层结的,1959年Priestley[7]提出了自由对流大气湍流理论。
可以说,到20世纪50年代以前经典的湍流理论基本上已经形成,以后,湍流理论基本上再没有出现大的突破。
从20世纪60年代开始,为了克服湍流研究所面临的困境,人们试图在湍流理论研究方法上开辟新的途径。
1963年Lorenz[8]从微分方程计算了非周期轨道,使湍流发生机制的研究有了新的可能途径。
1971年,Ruelle[9]把混沌理论等方法引入湍流研究,不过有些学者认为用混沌理论来研究湍流有不适当之处[10]。
1.2行星边界层的提出1905年Ekman[11]从地球流体力学角度提出了著名的Ekman螺线,在此基础上引伸到大气层,形成行星边界层概念,它的基本观点仍沿用至今。
1961年,Blackadar[12]引入混合长假定,用数值模式成功地得到了中性时大气边界层具体的风矢端的螺线图像。
行星边界层的提出使人们认识到了大气边界层在大气中的特殊性和一些奇妙的规律,但这个阶段还没有充分认识到大气边界层的重要性,对其应用价值也估计不足,所以当时对大气边界层的研究并没有形成气候。
1.3近地层大气物理规律的形成从20世纪50年代开始,随着农业、大气污染和军事科学的需要,开始掀起大气边界层研究的高潮。
由于对近地面层的研究需求最迫切,并且该层观测相对也比较容易实现,因此大气边界的研究最初在近地层得到了优先发展。
1954年,Monin等[13]提出了具有划时代意义的Monin-Obukhov相似性理论。
1971年,Businger等[14]利用美国Kansas试验资料得到了Monin-Obukhov相似性函数的具体形式,随后在Dyer等[15]1982年利用1976年澳大利亚国际湍流对比试验(ITCE)又做了完善。
Monin-Obukhov相似性理论的提出和完善使近地面层观测资料的分析和地表通量的计算有了得力的手段。
1971年,Wyngaard[16]提出了局地自由对流1/3相似性律,补充了Monin-Obukhov近地面层相似性理论在局地自由对流时的不适应性。
1.4大气边界层物理结构的认识对非常理想的、水平均匀的、中性层结的大气边界层结构,Ekman近似基本上可以描述,但实际大气边界层既不是均匀的,更不是中性的。
并且由于各方面的需要,人们已逐渐不能满足于仅对近地面层的认识;更主要的是大气探测技术和研究方法此时已经有了新的突破,特别是系留气球、小球探空测、雷达观测、飞机机载观测及卫星遥感反演和数值模拟等手段的相继出现,所以从70年代开始,大气边界的研究开始从近地面层向整个边界层扩展1971年,Clark等[17]用澳大利亚著名的Wang-gara观测实验资料给出了实测的稳定大气边界层气象要素的典型空间分布特征。
1976年, Kaimal等[18]根据美国Minnesota观测实验资料又获得了实测的自由对流大气边界层气象要素的垂直分布结构。
1983年的俄克拉何马边界层野外试验[19]用飞机观测到了系统的大气边界层湍流量和其它高阶量的空间分布。
最近,以1987年的FIRE试验和1992年ASTEX试验为基础逐步开始了云和降水与边界层的相互作用的研究[20]。
在野外实验的同时,大气边界层数值模拟实验也在这一期间取得了进展。
最具代表性的是1970—1974年Deardorff首次用大涡模拟技术研究了大气边界层,并且在对流和中性两种情况下对Wanggara观测资料进行了实时模拟[2123]。
1978年,Andre等[24]首次建立了可称为真正意义上的大气边界层数值模式(三阶闭合),并对大气边界层的气象要素分布和湍流结构进行了成功地模拟。
虽然复杂下垫面的边界层问题在早期研究中已有粗略涉及,但1982年Hunt等[25]首次比较全面地提出了一些对复杂地形下大气边界层特征的认识。
如果最简洁地概括,对大气边界层研究贡献最突出的是两大野外实验和一个数值实验即澳大利亚的Wanggara实验和美国的Minnesota实验以及Deardorff的大涡模拟实验。