湍流与层流_湍流研究概述
层流和湍流的定义
层流和湍流的定义层流和湍流是流体力学中常用的两个概念。
层流是指流体在管道或流动区域内的流动方式，其中流体沿着平行于管道或流动区域的方向有序地流动，流线间不存在交叉或干扰。
而湍流则是指流体在管道或流动区域内的流动方式，其中流体以无规则的旋转和交错的方式流动，流线间交叉并形成涡旋。
下面将对层流和湍流进行详细的介绍。
层流是指在流体流动中，流体粒子沿着流动方向以分层的方式有序地流动。
在层流中，流体的速度分布是均匀的，流体粒子之间的相对运动是有序的。
层流的特点是流速稳定，在管道中流体粒子的运动轨迹是平行的，流速分布呈现出顺序排列的特征。
层流的流动方式常见于低速流动、黏性流体以及细长管道等情况下。
层流的优点是流体粒子之间的相对运动较小，流体的能量损失较低，适用于对流动稳定性要求较高的工程领域。
湍流是指流体在流动过程中，流体粒子以无规则的旋转和交错的方式流动。
在湍流中，流体的速度分布是不均匀的，流体粒子之间的相对运动是混乱的。
湍流的特点是流速不稳定，在管道中流体粒子的运动轨迹是随机的，流速分布呈现出波动和涡旋的特征。
湍流的流动方式常见于高速流动、低黏性流体以及管道弯曲等情况下。
湍流的缺点是流体粒子之间的相对运动较大，流体的能量损失较高，适用于对流动稳定性要求较低的工程领域。
层流和湍流的区别主要体现在流体粒子之间的相对运动和流速分布上。
在层流中，流体粒子之间的相对运动有序，流速分布均匀；而在湍流中，流体粒子之间的相对运动混乱，流速分布不均匀。
另外，层流和湍流的形成机制也不同。
层流的形成主要受到黏性力的影响，流体粒子之间的黏性力使得流体流动更趋于有序；而湍流的形成主要受到惯性力和湍流能量的影响，流体粒子之间的惯性力和湍流能量使得流体流动更趋于混乱。
在工程应用中，对层流和湍流的理解有助于合理设计和优化流体系统。
根据流体的特性和工程需求，可以选择合适的流动方式。
层流适用于对流动稳定性要求较高、能量损失较小的场合，如实验室中的流体实验、医疗领域中的输液以及电子设备中的散热等；而湍流适用于对流动稳定性要求较低、能量损失较大的场合，如工业生产中的混合搅拌、自然界中的河流湍急以及空气动力学中的气流等。
流体力学中的层流和湍流
流体力学中的层流和湍流在流体力学中，流动可以分为两种主要形式：层流和湍流。
层流是指流体在流动方向上以均匀的速度形成平行的流线，流体粒子之间的相互作用较小，流动稳定，表现出流线流动的特性。
湍流则是指流体在流动方向上形成旋涡和乱流的流线，流体粒子之间的相互作用较大，流动不稳定，表现出旋涡流动的特性。
本文将详细探讨层流和湍流的特点、形成机制以及应用领域。
一、层流的特点层流的特点主要包括以下几个方面：1. 流体粒子之间的相互作用较小：在层流中，流体粒子沿着平行的流线流动，相互之间的摩擦力和压力差较小，流体粒子之间的相互作用较弱。
2. 流动速度均匀一致：层流中，流体粒子以均匀的速度流动，不会出现速度差异明显的情况。
3. 流态稳定：层流的流态相对稳定，不会出现剧烈的涡旋和湍流的形成。
4. 流体粒子之间的运动轨迹规律可预测：由于层流的流态稳定，流体粒子之间的运动轨迹规律可预测，方便对流体流动进行分析和研究。
二、湍流的特点湍流的特点主要包括以下几个方面：1. 流体粒子之间的相互作用较大：在湍流中，流体粒子之间相互作用较强，摩擦力和压力差较大。
2. 流动速度不均匀：湍流中，流体粒子的速度会出现剧烈变化，存在速度差异较大的情况。
3. 流态不稳定：湍流的流态不稳定，具有旋涡和乱流的特征，流体粒子的运动轨迹复杂而难以预测。
4. 容易形成涡旋和涡流：湍流的流动形式中，会形成大量的旋涡和涡流，这些旋涡和涡流对流体的混合和能量传递起到重要作用。
三、层流和湍流的形成机制层流和湍流的形成机制有所不同。
1. 层流的形成机制：层流主要是由于流体粒子的黏性和流动速度之间的关系所致。
当流体的黏性较大，流动速度较小时，流体粒子之间的相互作用较小，流态会趋于层流。
2. 湍流的形成机制：湍流的形成与流体的不稳定性和能量转移有关。
当流体的黏性较小，流动速度较大时，流体粒子之间的相互作用增大，流动会表现出湍流的特征。
四、层流和湍流的应用领域层流和湍流在不同领域有着广泛的应用。
工程流体力学中的湍流与层流过渡研究
工程流体力学中的湍流与层流过渡研究工程流体力学是研究流体在运动中的力学性质和规律的学科。
在工程实践中，流体力学的研究对于各种工程设计、优化和运行都起着至关重要的作用。
其中，湍流和层流过渡现象是工程流体力学中一个重要的研究领域。
湍流和层流是流体在运动中的两种不同状态。
层流是指流体以均匀、有序的方式流动，流体粒子之间的相对运动是顺序排列的；而湍流则是流体以混乱的方式流动，流体粒子之间的相对运动是无序的。
湍流在实际工程中经常出现，因其带来的能耗和阻力较大，需要我们进行研究和控制。
湍流与层流过渡研究的目的是寻找湍流发生的机制，并找到一种能够有效减小湍流产生的方法。
这对于优化工程设计、提高流体系统的效率具有重要意义。
湍流与层流过渡的研究方法主要有实验方法、数值模拟和理论分析三种。
实验方法是通过实际的实验设备和工况来研究湍流与层流过渡现象。
其中比较常用的实验手段有流速测量、压力测量、流动可视化等。
实验结果对于我们理解和掌握湍流与层流过渡现象以及实际系统的工程优化具有重要意义。
数值模拟是利用计算机模拟技术对流体力学问题进行数值求解。
通过数学模型和假设的边界条件，可以得到流体在各种不同工况下的流动状态。
数值模拟方法能提供详细的流动速度、压力等参数，对于研究湍流与层流过渡现象提供了重要的工具。
理论分析是通过建立数学模型和方程，推导出湍流与层流过渡的临界条件和转变机制。
理论分析的研究可以帮助我们理解湍流与层流过渡的本质，并为工程应用提供理论依据。
关于湍流与层流过渡的研究，目前存在着一些挑战和困难。
首先，湍流与层流的过渡现象是一个复杂的多尺度问题，需要综合考虑各种不同的因素和影响因素。
其次，湍流与层流过渡的机制还不完全清楚，需要进一步的实验和数值模拟来加以验证。
此外，由于湍流与层流过渡研究的复杂性和耗时性，需要运用各种高效的计算和实验方法来提高研究效率。
尽管存在一些挑战和困难，湍流与层流过渡的研究仍然具有重要的科学意义和工程应用价值。
流体力学中的层流与湍流现象研究
流体力学中的层流与湍流现象研究流体力学是研究流体运动的科学，主要包括液体和气体的运动原理、力学特性以及相应的数学模型和解析方法。
在流体力学中，层流与湍流是两种不同的流动形态，它们具有不同的特点和研究方法，对于理解流体运动的规律和应用于工程实践具有重要意义。
一、层流现象的研究层流是指在管道中，流体以各层等速度平行流动的现象。
在层流中，流体分子之间的相互作用力较大，流动轨迹呈现规律性，流体分子排列整齐。
层流的运动过程可以通过牛顿第二定律和质量守恒定律进行描述和分析。
层流的研究主要关注流体分子之间的相互作用力和流动轨迹以及流动速度的分布情况。
通过分析这些因素，可以推导出层流中的流体速度分布和阻力特性，并对层流的流动规律进行数学建模和仿真模拟。
通过实验和数值模拟，可以研究层流的特性和流动现象，为工程应用提供理论依据。
二、湍流现象的研究湍流是指流体运动过程中呈现出杂乱无序的流动现象。
在湍流中，流体分子之间的相互作用力较小，流动轨迹呈现随机性和不规则性，流体分子排列杂乱无序。
湍流的运动过程无法用牛顿第二定律和质量守恒定律简单描述，通常需要较为复杂的数学工具和数值模拟方法。
湍流的研究主要关注流体分子之间的湍动能量转移和湍流边界层形成的机理。
湍流的形成与流动速度、粘度、几何形状等因素密切相关。
通过实验和数值模拟，可以研究湍流的特性和流动现象，为湍流的控制和优化提供理论依据。
三、层流与湍流的转变层流与湍流并不是完全独立的两种流动形态，而是一种连续转变的过程。
随着流体速度和粘度的变化，层流与湍流之间会发生相互转变。
在某些条件下，流体可以从层流转变为湍流，而在其他条件下，湍流也可以转变为层流。
层流与湍流的转变通常称为层流失稳过渡到湍流。
这一过程与雷诺数有关，雷诺数越大，层流失稳过渡到湍流的机会越多。
层流失稳过渡到湍流的机制很复杂，涉及流体的惯性效应、摩擦效应和压力梯度等因素。
研究层流与湍流的转变对于理解流体运动的规律和优化工程设计具有重要意义。
湍流与层流_湍流研究概述
第一篇 大气的组成与物理特性 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 大气的气体成份 大气中的粒子群 大气的运动、能量与构造 大气的光学特性 大气的电学特性1第二篇 大气湍流粘性流体的两种形态： 层流和湍流。
层流是流体运动中较简单的状态， 普遍的却是湍流。
2湍流研究的意义湍流的研究与国防建设和国民经济中 的航空、船运、环境保护、气象、化工、 冶金、水利、医学等学科密切相关，如果 能掌握它的运动规律，对它进行合理的应 用和有效的控制，那么对基础研究与实际 应用将有重大的意义。
3湍流研究的成果人们对湍流结构、湍流边界层、湍流 剪切流、湍流的传热传质、湍流扩散、湍 流统计模型、大气湍流、晴空湍流、等离 子湍流、湍流测量等问题进行了广泛的研 究，并取得了丰硕的成果。
4本节的内容湍流的一般定义和描述； 湍流与层流的区别； 湍流理论发展的历史； 湍流理论简介； 湍流的特点； 大气湍流的复杂性； 湍流研究技术的发展。
5湍流的一般定义和描述1. 湍流是随机的（Reynolds，Taylor，Von Karman ，Hinze等），又具有拟序结 构。
2. 流体的湍流运动是由各种大小和涡量 不同的涡旋叠加而成的，其中最大涡 尺度与流动环境密切相关，最小涡尺 度则由粘性确定；流体在运动过程中， 涡旋不断破碎、合并，流体质点轨迹 不断变化。
6湍流的一般定义和描述（续）3. 在某些情况下，流场中流体呈非线性 完全随机的运动；在另一些情况下， 流场中的流体随机运动和拟序结构并 存。
4. 湍流中的特征呈现连续的变化，人们 将N—S方程作为湍流运动的基本方程 。
返回7湍流与层流的区别共同点 区别一：控制方程不同 区别二：性质上不同 两者的联系与转换 返回8粘性流体运动的一般性质(1)运动的有旋性； (2)能量的耗损性； (3)涡旋的扩散性。
返回9流体的控制方程层流是一种有序的确定性的流体运动，流体物 理量除了在分子热运动的微观尺度上有随机 的起伏外，在宏观尺度上都是确定性的。
流体的湍流和层流
流体的湍流和层流流体的湍流和层流是流体力学中的两个重要概念。
湍流和层流是指在流动中流体颗粒的运动方式和流动特性。
本文将对流体的湍流和层流进行详细介绍。
一、什么是流体的湍流和层流？流体的湍流是指在流动中，流体颗粒的运动呈现混乱、无规律的状态。
湍流流动时，流体颗粒之间的速度和流动方向随机变化，并伴随着旋涡、涡旋和涡片的出现。
湍流的特点是流速变化大，存在高速区和低速区，流体颗粒之间相互穿插、交叉，流动产生的能量耗散较大。
而流体的层流则是指在流动中，流体颗粒的运动呈现有序、平行的状态。
层流流动时，流体颗粒之间的速度和流动方向保持一致，并按照一定的层次分布。
层流的特点是流速变化小，流体颗粒之间没有明显的穿插和交叉，流动产生的能量耗散较小。
二、湍流和层流的形成条件湍流的形成与流动的速度、流体的黏性以及几何形状等因素有关。
当流体的速度超过一定阈值时，流体会从层流向湍流转变。
此时流体颗粒之间的黏性作用减弱，流动变得不稳定，湍流现象开始出现。
层流的形成则需要考虑流体的黏性和几何形状。
当流体的黏性较大，流动的几何形状较简单时，流体容易形成层流。
此时流体颗粒之间的黏性作用较强，流动保持有序而稳定。
三、湍流和层流的特性和应用湍流和层流的特性对于流体力学和工程应用具有重要意义。
湍流的特性包括流体颗粒的速度和流动方向随机变化，能量耗散较大，流速变化大等。
湍流流动常见于自然界中的河流、大气运动、海浪等情况，也常见于工程领域中的管道流动、空气动力学等。
层流的特性包括流体颗粒的速度和流动方向保持一致，能量耗散较小，流速变化小等。
层流流动常见于实验室中的液体柱、细管流动等情况，也常见于工程领域中的管道流动、精细过滤等。
在工程应用中，湍流和层流的特性需要根据具体的情况进行分析和利用。
例如，在管道流动中，湍流常常会导致流体能量损失和阻力增加，需要通过合理的设计和控制手段来降低湍流的影响。
而在微流控技术中，层流的稳定性和均匀性对于实现精确的流体操控和混合非常重要。
层流和湍流的定义
层流和湍流的定义层流和湍流是流体运动中常用的两个概念，它们描述了流体在不同条件下的行为特征。
层流是指流体在管道或通道中以层状流动的状态，流体粒子之间的运动是有序的，呈现出平行且整齐排列的状态。
而湍流则是指流体在管道或通道中以紊乱、不规则的方式流动，流体粒子之间的运动是混乱的，呈现出旋转、涡旋和乱流的状态。
层流和湍流的区别在于流体粒子之间的运动方式。
在层流中，流体粒子的速度和方向相对稳定，呈现出一定的规律性。
流体粒子之间的相互作用力较小，流体运动的阻力较小，能量的损失也较小。
因此，在层流状态下，流体的流动更加平稳，流速分布均匀，流体的混合性较差。
相反，湍流中的流体粒子之间的相互作用力较大，流体运动的阻力较大，能量的损失也较大。
流体粒子的速度和方向变化无常，呈现出不规则的涡旋和乱流状态。
湍流状态下，流体的流动速度分布不均匀，存在着速度梯度和剪切应力，流体的混合性较好。
层流和湍流的形成与流体运动的条件有关。
当流体的运动速度较慢、粘度较大、管道或通道的直径较小时，流体往往呈现出层流状态。
这种情况下，流体粒子之间的相互作用力较小，流体运动的阻力较小，能量的损失较小。
而当流体的运动速度较快、粘度较小、管道或通道的直径较大时，流体往往呈现出湍流状态。
这种情况下，流体粒子之间的相互作用力较大，流体运动的阻力较大，能量的损失较大。
层流和湍流在工程领域中具有重要的应用价值。
层流状态下的流体运动稳定，可以减小阻力和能量损失，提高流体的传输效率。
因此，在一些要求流体传输稳定性和精密度较高的工程中，常采用层流技术。
而湍流状态下的流体运动混乱，可以增加流体与固体颗粒的接触面积，加强质量和热量的传递，提高反应速度和效率。
因此，在一些需要快速反应和高效传递的工程中，常采用湍流技术。
层流和湍流是流体运动中常用的两个概念，用于描述流体在不同条件下的行为特征。
层流是指流体以层状流动的状态，流体粒子之间的运动有序且平稳。
湍流是指流体以紊乱、不规则的方式流动，流体粒子之间的运动混乱且有涡旋和乱流的特点。
第四章 层流、湍流与湍流流动
gz
1
p
z
1 r r
r
vz r
2vz z 2
边值条件：
v z r
r 0
0,vz
r R
0
vr r
r 0
0,vr
r R
0
⑵问题简化：设L为足够长→无限长，流动达到稳态后速度分
布与z无关
vz 0 z
2v z z 2
0
vr 0
r方向：
1 p 0
r
z方向：
gz
1
p z
1 r
r
r
vz r
0
1
dp dz
gz
1 r
r
r
vz r
dp dz
gz
1 r
r
r
vz r
1
p p1
v 说明：p 减小， 变大，直到 p p0 止。
2．一维稳态等熵流动的基本特性
由连续性方程：G A1v11 Axvx x
Ax
G
vx x
A 为截面面积。
1
将速度式及代入上式：x
1
px p1
Ax
G
4.2 层流流动的定解问题
求解实际流体的流动问题应用连续方程和运动方程。对于不可压缩及 粘性为常量的情况下方程组封闭。否则，需补充状态方程、温度场方 程等。我们首先分析定解条件。 1． 初值问题：
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第一篇 大气的组成与物理特性 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 大气的气体成份 大气中的粒子群 大气的运动、能量与构造 大气的光学特性 大气的电学特性
1
第二篇 大气湍流
粘性流体的两种形态： 层流和湍流。
层流是流体运动中较简单的状态， 普遍的却是湍流。
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湍流研究的意义
湍流的研究与国防建设和国民经济中 的航空、船运、环境保护、气象、化工、 冶金、水利、医学等学科密切相关，如果 能掌握它的运动规律，对它进行合理的应 用和有效的控制，那么对基础研究与实际 应用将有重大的意义。
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湍流研究的成果
人们对湍流结构、湍流边界层、湍流 剪切流、湍流的传热传质、湍流扩散、湍 流统计模型、大气湍流、晴空湍流、等离 子湍流、湍流测量等问题进行了广泛的研 究，并取得了丰硕的成果。
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本节的内容
湍流的一般定义和描述； 湍流与层流的区别； 湍流理论发展的历史； 湍流理论简介； 湍流的特点； 大气湍流的复杂性； 湍流研究技术的发展。
5
湍流的一般定义和描述
1. 湍流是随机的（Reynolds，Taylor，Von Karman ，Hinze等），又具有拟序结 构。
2. 流体的湍流运动是由各种大小和涡量 不同的涡旋叠加而成的，其中最大涡 尺度与流动环境密切相关，最小涡尺 度则由粘性确定；流体在运动过程中， 涡旋不断破碎、合并，流体质点轨迹 不断变化。
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湍流的一般定义和描述（续）
3. 在某些情况下，流场中流体呈非线性 完全随机的运动；在另一些情况下， 流场中的流体随机运动和拟序结构并 存。
4. 湍流中的特征呈现连续的变化，人们 将N—S方程作为湍流运动的基本方程 。
返回
7
湍流与层流的区别
共同点 区别一：控制方程不同 区别二：性质上不同 两者的联系与转换 返回
8
粘性流体运动的一般性质
(1)运动的有旋性； (2)能量的耗损性； (3)涡旋的扩散性。
返回
9
流体的控制方程
层流是一种有序的确定性的流体运动，流体物 理量除了在分子热运动的微观尺度上有随机 的起伏外，在宏观尺度上都是确定性的。
可 以直接从纳维—斯托克斯方程出发通过解方 程把流场求出来 。
湍流则是一种宏观的时间和空间尺度上无序的 非确定性的流体运动，其流体物理量的变化 是无规则的。
其控制方程现在仍认为是雷诺 方程 返回
10
性质上绝然不同 ——表现在传热和传质上
层流的特征是流体运动规则，各部分分层流 动互不掺混，质点的迹线是光滑的，而且 流场稳定．湍流的特征则完全相反，流体 运动极不规则．各部分激烈掺混，质点的 轨线杂乱无章，而且流场极不稳定． 湍流运动产生的质量和能量输运将远远大于 分子热运动产生的宏观输运，湍流场中质 量和能量的平均扩散远远大于层流扩散。
返回
11
两者之间的联系和转换
Re数作为层流过渡到湍流去的决定参数， Re数代表惯性力和粘性力之比．当Re数 较小时粘性力比惯性力大，此时流动稳 定，扰动是衰减的；当Re数变大时，惯 性力较粘性力大．此时流动比较不稳定， 扰动容易发展增强，形成湍流．
12
层流向湍流的转换
返回
13
三、湍流理论发展的历史
14
1854－1883年
1854 年德国工程师 Hagen 在水管实验中观 测到了湍流现象。
1877 年法国 Boussinesq. J ，引进了湍流粘 性系数μT。
1883年，Reynolds. O第一次提出了临界雷 诺数，雷诺方程和雷诺应力的概念， 确定了湍流形成的判据和描述湍流运 动的基本方程。
15
1925－1932
Prandtl. L，von Karman 和Taylor把湍流流 体元运动和分子热运动类比，建立了湍 流半经验理论，这理论比较成功地解释 了湍流对平均流场影响的一些规律，但 在解释及探讨湍流本身的起伏脉动规律 时却完全失败了。
16
1935－1945
Taylor，von Karman和前苏联学者 kolmogorov，Obukhov相继发展了湍流 的统计理论，这些理论也只是解释了均 匀各向同性或局地均匀各向同性湍流运 动规律。
17
20世纪60年代以后
大涡拟序结构成了近年来湍流研究的一大 热门。
20世纪80年代以来，非线性理论 领域的研究成果，给湍流研究注入了生 机。
返回
18
湍流理论简介
人们把研究重点放在湍流运动的两个不同 阶段上：1、从层流到湍流的转换以及 湍流的发展前期；2、充分发展的湍流 的规律性． 1．湍流的统计理论 2．半经验理论 3．湍流模式理论 4、其它一些理论和方法
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1．湍流的统计理论
统计理论把重点研究湍流的脉动结构，通过建 立不同随机量之间的关联函数，得到随机变 量的统计特性，以此了解湍流的内部结构， 掌握湍流平均流动变量的空间分布与时间演 变的情况。
1. Taylor两点间脉动流速相关联 ； 2. Karman—Howarth方程； 3. Taylor和w．Heisenberg关联函数和谱函数； 4. 热线风速仪促进了统计理论的迅速发展； 5. 50年代以后没有太大的发展。
20
2．半经验理论
半经验理论着重研究时均流的运动规律， 它能给出工程应用中人们最感兴趣的一 些物理量，具有很强的实用性。
其核心 是给出二阶脉动速度关联项的表达式。
Boussinesq涡粘性系数； Prandl混合长度理论 Taylor涡量转移理论 Karmann局部运动相似理论
21
3．湍流模式理论
半经验理论只能用于较简单的流场，对于比较复 杂的流场，必须引进高阶的封闭模式。
模式是在充分了解湍流现象的基础上，引出一系 列假设，按照一定的原则实现的。
目前比较常用的模式有雷诺应力模式、代数应力 模式、湍流动能方程模式以及涡粘性模式。
计算机技术和数值方法的迅速发展， 使得模式的 应用变得比较简单。
22
4、其它一些理论和方法
大涡结构理论以及该理论中所采用的三重 分解法 分数维理论 现代混沌理论 返回
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湍流的特点
传统上认为湍流研究的困难, 测量和非线性 湍流运动的一些基本特征 ： 1. 运动的不规则或随机性 2. 服从于粘性流体运动规律 3. 高雷诺数性质 4. 粘性耗散性质 返回
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大气湍流的复杂性
大气湍流运动比一般湍流还要复杂的多。
主要 有以下三个特点： 1. 大气湍流的尺度范围非常宽广。
2. 由海洋、高山、冰雪、森林、城市等地面 形成了大气湍流非常复杂的边界条件，使 边界层大气湍流具有多种形式的结构。
3. 大气湍流具有多种形式的能源与能汇。
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25
湍流研究技术的发展
计算机的出现对湍流的研究是个很大的促进，它 提供了解决湍流问题的新途径。
次网格封闭模 型，谱方法 在实验方面，热线风速仪配之以计算机采样和数 据处理加工，数字滤波技木，以及离散快速 Fourier变换等先进数学方法的出现，使得湍流 实验有了重大突破。
激光多普勒测量仪以及近30年迅速发展起来的流 场显示技术等有可能获得流动的小尺度结构逼 真的图象 。
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