边界层的特点
边界层内外流动的特点
边界层内外流动的特点
）。
边界层是大气层的一种说法，它指的是介于大气层和海洋之间的一层
非常有规律的温度、海盐、水分组成的那一层。
边界层内外流动特点如下：1）边界层内水温、盐度等特征流动比较稳定，边界层内的交换流量
要比邻近的大气层或海洋流量小得多，但依然会受到潮汐流的影响；
2）边界层外的水温、盐度有很大的变化，但与边界层内的流动保持
平衡；
3）边界层的流速因层的厚度而异，厚的层的流速要比薄的层的流速
要快得多；
4）受风流和日照的影响，边界层的流动经常会上升或下降；
5）夏季海温较高、陆地表面特别热，海水受热容易持续升温，边界
层流动弱，边界层会上升；
6）冬季海温较低，陆地表面特别冷，海水比较耗热，边界层流动强，边界层会下降。
边界层流动特性分析
1.边界层方程是描述边界层内流体运动规律的基本方程，主要包括Navier-Stokes 方程和连续方程。 2.边界层方程的求解通常需要采用数值模拟或者近似解析方法，如普适函数法和相 似理论法。 3.边界层方程的研究对于揭示边界层流动的内在机制和预测流动行为具有关键作用 。
边界层概念与定义
▪ 边界层厚度测量方法
1.热膜风速计法：通过测量热膜上的热量传递来推算流体的速 度分布，从而得到边界层的厚度。 2.皮托管法：利用皮托管测量总压和静压差，计算出平均速度 ，再根据速度分布推导出边界层厚度。 3.激光多普勒测速技术（LDV）：通过发射激光束并接收反射 光的多普勒频移信号，精确测量流场速度，进而确定边界层厚 度。
边界层分离
1.边界层分离是指当流体流过曲率半径较小的固体表面时，边 界层内的流体由于离心力的作用而从固体表面分离的现象。 2.边界层分离会导致流体在分离点后方形成涡旋，从而增加流 体与固体表面的摩擦阻力并影响流体的整体流动性能。 3.边界层分离的研究对于理解和控制流体流动中的能量损失、 噪声辐射以及流体机械的性能具有重要的实际意义。
边界层的分类
1.根据流体运动的特征，边界层可以分为层流边界层和湍流边 界层。层流边界层是指流体流动呈现有序、稳定的流动状态， 而湍流边界层则表现为无序、随机的流动状态。 2.根据流体与固体表面的相对运动关系，边界层还可以分为静 止边界层和动边界层。静止边界层是指固体表面静止不动时形 成的边界层，而动边界层则是指固体表面运动时形成的边界层 。 3.根据流体与固体表面的接触方式，边界层可以进一步细分为 光滑表面边界层和粗糙表面边界层。
边界层控制技术
1.边界层控制技术是通过改变边界层的流动特性来提高流体机 械效率、降低能耗和减少环境污染的一类技术。 2.常见的边界层控制技术包括流动诱导分离控制、湍流减阻技 术和热边界层控制等。 3.边界层控制技术在航空航天、能源、交通等领域具有广泛的 应用前景，对于推动相关行业的技术进步和可持续发展具有重 要作用。
《流体力学考》考点重点知识归纳(最全)
《流体力学考》考点重点知识归纳1.流体元：就有线尺度的流体单元，称为流体“质元”，简称流体元。
流体元可看做大量流体质点构成的微小单元。
2.流体质点：（流体力学研究流体在外力作用下的宏观运动规律）（1）流体质点无线尺度，只做平移运动（2）流体质点不做随即热运动，只有在外力的作用下作宏观运动；（3）将以流体质点为中心的周围临街体积的范围内的流体相关特性统计的平均值作为流体质点的物理属性；3.连续性介质模型的内容：根据流体指点概念和连续介质模型，每个流体质点具有确定的宏观物理量，当流体质点位于某空间点时，若将流体质点的物理量，可以建立物理的空间连续分布函数，根据物理学基本定律，可以建立物理量满足的微分方程，用数学连续函数理论求解这些方程，可获得该物理量随空间位置和时间的连续变化规律。
4.连续介质假设：假设流体是有连续分布的流体质点组成的介质。
5.牛顿的粘性定律表明：牛顿流体的粘性切应力与流体的切变率成正比，还表明对一定的流体，作用于流体上的粘性切应力由相邻两层流体之间的速度梯度决定的，而不是由速度决定的：6.牛顿流体：动力粘度为常数的流体称为牛顿流体。
7.分子的内聚力：当两层液体做相对运动时，两层液体的分子的平均距离加大，分子间的作用力变现为吸引力，这就是分子的内聚力。
液体快速流层通过分子内聚力带动慢流层，漫流层通过分子的内聚力阻滞快流层的运动，表现为内摩擦力。
、流体在固体表面的不滑移条件：分子之间的内聚力将流体粘附在固体表面，随固体一起运动或静止。
8.温度对粘度的影响：温度对流体的粘度影响很大。
液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度则相反，随温度的升高而增大。
压强对粘性的影响：压强的变化对粘度几乎没有什么影响，只有发生几百个大气压的变化时，粘度才有明显改变，高压时气体和液体的粘度增大。
9.描述流体运动的两种方法拉格朗日法：拉格朗日法又称为随体法。
它着眼于流体质点，跟随流体质点一起运动，记录流体质点在运动过程中会各种物理量随所到位置和时间的变化规律，跟中所有质点便可了解整个流体运动的全貌。
武汉理工大学工程流体力学(4-5)
cD A
阻力系数 迎流面积（与来流垂直）
2、影响FD的因素：
1）与粘性有关。µ τ ，摩阻增大。 2）与物体形状有关，与物体的方位有关。
在相同条件下，迎流面积越大，尾部漩 涡区越大，前后压差越大，压阻增大。
与物体所放的方位有关，同是流线形的 机翼，有攻角和无攻角的涡区不同。
3）与物体的粗糙度有关。
上为湍流边界层，边界层在背流 面分离，故压差阻力系数下降。 但是当雷诺数逐渐增加时， 转捩更加提前，湍流边界层区域 增大，层流边界层区域减少，因 而摩擦阻力系数上升。再加上尾 流区中压力进一步下降，故压差 阻力系数上升。
边界层分离又称为边界层的脱体， 分离点又称为脱体点。流线型物体在 非正常情况下也能产生分离。
在某些特殊情况下，分离了的边 界层有可能再次附着在物面上，从而 在物面附近形成封闭的回流区，
三、分离流动的特点
对平板边界层有
∂p ∂p = 0, =0 ∂x ∂y
且在边界层
外边界上各点的速度为常数。当流体绕流 曲面时，由于 固壁曲面使过流截面发生 变化，因而边界层外边界上的速度 U ≠ c 则各点的压力 p 也不相等，即 这对流动有很大影响。 讨论流体绕流曲面时压力和速度的变化:
壁面分开，这种现象称为边界层分离。 A点称为分离点。发生分离后，主流和 回流碰撞产生漩涡，在物体后部形成尾 涡区，漩涡的运动要消耗能量，使得物 体后部的压力不能恢复到物体前部的压 力，使得物体前后形成压力差，产生阻 力。这种阻力称压差阻力。 在分离点及其上下游作速度剖面图，可 以发现，在分离点A上满足
当两种状态都存在，称混合边界层。如图
V∞
层流边界层
0
V∞
混合边界层
0
xc
边界层概念及特点
边界层概念及特点边界层是指在流体内部，例如大气或水流中，与相邻固体表面接触的一层流体。
边界层在自然界和工程中都具有重要的作用，因此对边界层的研究具有重要的意义。
在流体动力学和传热传质学中，边界层的研究已经成为一个重要的领域，对于工程设计和天然环境中的流体现象都有着重要的影响。
1.边界层的概念边界层的概念源于流体力学的研究，在流体内部，与固体表面接触的一层流体受到了固体表面的影响，使得其动力学特性和传热传质性质与流体主体产生了巨大的差异。
在这一层中，流体的速度和压力梯度都会发生明显的变化，同时流体的湍流运动也会受到较强的影响。
边界层的概念在不同领域有着不同的应用，例如在空气动力学中，边界层的研究对于飞机的设计和性能具有重要的影响；而在海洋学和水力学领域，边界层的研究对于水下船舶和海洋平台等工程的设计和运行也具有着重要的意义。
2.边界层的特点边界层的特点主要包括以下几个方面：（1）速度剖面在边界层中，流体的速度会随着距离固体表面的距离而发生变化，即速度剖面。
通常情况下，离固体表面越近，流体的速度越小，而在边界层的外部，速度会逐渐趋近于自由流体的速度。
因此，由于速度的变化，边界层中流体的剪切应力也会增大，导致流体的粘性效应变得非常明显。
（2）湍流运动在边界层中，由于流体的速度剖面和压力梯度的变化，流体会发生湍流运动。
边界层中的湍流流动使得流体的动量和热量传递变得非常高效，因此具有很高的传热传质性能。
同时，湍流流动也会导致边界层中的流体阻力增大，这对于流体的运动和弥散具有重要的影响。
（3）传热传质边界层中，由于流体的湍流流动和速度剖面的变化，流体的传热传质性质也会发生明显的变化。
边界层中的传热传质过程具有着较高的传递效率，因此在工程和自然环境中具有着非常重要的应用。
例如在换热器或者传质设备中，边界层的传热传质特性对于设备的性能和效率都有着重要的影响。
（4）结构特性边界层结构对流体的运动和传热传质过程具有着决定性的影响。
流动边界层和热边界层的关系
流动边界层和热边界层的关系一、引言流动边界层和热边界层是流体力学中的两个重要概念，它们在工程、气象、航空航天等领域有着广泛的应用。
本文将从定义、特点、影响因素和关系等方面对流动边界层和热边界层进行详细阐述。
二、流动边界层的定义及特点1. 定义：流动边界层是指靠近固体表面的一层流体，在这一层内，由于黏性作用和惯性作用相互作用，使得速度从零逐渐增大到自由流速度的过程。
2. 特点：（1）黏性作用占主导地位；（2）速度从零逐渐增大，达到自由流速度；（3）压力沿着法向方向变化很小；（4）密度变化很小。
三、热边界层的定义及特点1. 定义：热边界层是指靠近固体表面的一层气体，在这一层内，由于黏性作用和传热作用相互作用，使得温度从固体表面逐渐变化到自由气体温度的过程。
2. 特点：（1）传热作用占主导地位；（2）温度从固体表面逐渐变化到自由气体温度；（3）密度变化很小；（4）流动边界层和热边界层的厚度相等。
四、影响因素流动边界层和热边界层的厚度受到以下因素的影响：1. 材料表面粗糙程度：表面越粗糙，流动阻力越大，流动边界层和热边界层的厚度也会增加。
2. 流体黏性：黏性越大，流动边界层和热边界层的厚度也会增加。
3. 流体速度：速度越大，流动边界层和热边界层的厚度也会减小。
4. 温差大小：温差越大，热边界层的厚度也会增加。
五、流动边界层和热边界层的关系1. 厚度相等：由于黏性作用和传热作用相互作用，使得流动边界层和热边界层的厚度相等。
2. 位置不同：流动边界层是在固体表面靠近流体的一侧，热边界层是在固体表面靠近气体的一侧。
3. 物理量不同：流动边界层和热边界层受到的物理量不同，前者受到黏性作用和惯性作用，后者受到黏性作用和传热作用。
六、应用1. 工程领域：流动边界层和热边界层对于飞机、汽车、船舶等交通工具的设计有着重要影响，可以优化空气动力学性能和降低能耗。
2. 气象领域：流动边界层和热边界层对于大气运动的模拟也有着重要意义，可以提高气象预报的准确性。
第1章 大气边界层
z
=
z0
时仍满足对数分布规律：
∂V ∂z
z = z0
=
V* kz0
又∵
∂V ∂z
β = z = z0
V* z01−ε
∴ β = kz0ε
l
=
kz
⎛ ⎜ ⎝
z z0
⎞−ε ⎟ ⎠
（1.13） （1.14）
6
《动力气象学》电子教案 －编著、主讲：成都信息工程学院大气科学系 李国平教授 制作：林蟒、李国平
(u
+
iv)
=
−if
ug + ivg
（1.22）
为求解方便，取
x
轴平行等压线，则
∂p ∂x
=
0, vg
=
0 （即此时地转风只有东西向分量），有
kz
∂2V * ∂z 2
−
ifV
*
=
−ifug
（1.23）
或
kz
d 2V * dz 2
− ifV *
=
−ifug
（1.23）’
方程的性质：一元二次非齐次常微分方程
) >> ∂ (
) ∂(
,
)。
∂z
∂x ∂y
5).湍流运动明显，地气相互作用强烈，调整较快，呈准定常。
4 Ekman 层的主要特点
2
《动力气象学》电子教案 －编著、主讲：成都信息工程学院大气科学系 李国平教授 制作：林蟒、李国平
1).湍流摩擦力，气压梯度力和科氏力同等重要。 2).物理量垂直梯度>>水平梯度。 3).下垫面对自由大气的影响通过该层向上输送。 4).风向、风速随高度的变化呈 Ekman 螺线规律。
第二章流体静力学-第三节边界层的概念
v 定义：边界层内速度达到外部来流速度 的99%的那些点
的连线。
因此，边界层的边线不是流线，而是人为定出的一条线。
1 x
l Re v
vx 0.99v
4
2、边界层排挤厚度（位移厚度）
由于壁面摩擦的影响，与理想流体相比，边界层内实际
流过的体积流量会有所减少。为了使基于理想流体理论计算 得到的流量与粘性流的实际情况一致，需要把原来的固壁向 外推一个距离，该距离被称为边界层的位移厚度。
有一个0约.5o 的扩散角，以补偿边界层增厚的影响。
y
0
1
vx v
dy
0
1
vx v
dy
（8-28）
式（8-28）的积分上限为无穷，在实 际计算中，通常取为边界层名义厚
v
度 。在定常流中，边界层内的 vx
总是小于 v 且两者方向保持一致，则
可直接推出定常层流边界层的位移厚
度 总小于边界层厚度 。
边界层方程仍然是非线性的。边界层内的解与外部势 流区的解在边界层的边缘上衔接，在给定边界层方程外部边 界条件后，对边界层方程的求解时，则需要对边界层厚度的 定义加以说明。
22
注意：
边界层方程只适用于脱体点之前，在脱体点的下游，
由于边界层厚度大幅度增加，vx , vy 的量阶关系发生了根
本变化，因此推导边界层方程的基本假定不再适用。
y
v
dv dx
2vx
y2
20
vx vy 0
x y
vx
vx
x
vy
vx
y
v
dv dx
2vx
y2
(8-30)
fluent边界层类型
fluent边界层类型Fluent边界层类型是指在软件测试中，用于描述测试用例输入和输出的一种边界层类型。
它主要用于测试输入和输出之间的交互是否符合预期，以及是否满足业务需求。
本文将从不同角度对Fluent边界层类型进行介绍和分析。
一、什么是Fluent边界层类型Fluent边界层类型是一种基于测试用例输入和输出的描述方式，它强调了测试用例的可读性和易理解性。
通过使用Fluent边界层类型，我们可以更清晰地了解测试用例的输入和输出之间的关系，从而更好地理解系统的行为和业务需求。
二、Fluent边界层类型的特点1. 可读性强：Fluent边界层类型使用自然语言描述测试用例，使得测试用例更易于理解和阅读。
2. 易于扩展：Fluent边界层类型可以根据实际需求进行扩展，以满足不同的测试场景和业务需求。
3. 灵活性高：Fluent边界层类型可以灵活地描述不同类型的输入和输出，包括数字、字符串、日期等。
4. 可复用性强：通过使用Fluent边界层类型，可以将相似的测试用例进行归类和重用，提高测试效率和减少重复工作。
三、Fluent边界层类型的应用场景1. 数值范围测试：对于需要输入数值范围的测试用例，可以使用Fluent边界层类型来描述不同边界情况下的输入和输出。
2. 字符串长度测试：对于需要输入字符串长度的测试用例，可以使用Fluent边界层类型来描述不同字符串长度的输入和输出。
3. 日期范围测试：对于需要输入日期范围的测试用例，可以使用Fluent边界层类型来描述不同日期范围的输入和输出。
4. 枚举类型测试：对于需要输入枚举类型的测试用例，可以使用Fluent边界层类型来描述不同枚举值的输入和输出。
四、Fluent边界层类型的使用示例以数值范围测试为例，假设有一个需求是验证用户年龄是否在18岁到60岁之间。
可以使用Fluent边界层类型来描述不同年龄范围的输入和输出。
1. 输入小于18岁的年龄，期望输出为"未满18岁，不符合要求"。
第七章 边界层理论
其中 Re = ρV∞ L μ
因为δ * = δ L ~ 1
Re ，所以当Re很大时， ∗ δ
<< 1
根据这点，来估计N-S方程中的各项量级大 * x * ~ O (1), Vx ~ O (1)，这样 ∂Vx* ∂x* ~ O (1， ) 小。首先假设 又因为 y* ~ O (δ * )，所以按照连续方程，可得
∫
δ
0
ρu (U − u )dy
不可压流
=
∫
δ
0
u U
u⎞ ⎛ ⎜1 − ⎟ ⎝ U⎠
◎能量损失厚度 能量损失为
1 δ (ρ0 uU 2 − ρu 3 )dy 2 ∫0
主流在单位时间内通过某个厚度δ 3 的能量为
1 2 ρ 0U 3δ 3 因此能量(损失)厚度为
不可压流 δ u 1 δ δ3 = ρu (U 2 − u 2 )dy = ∫ 0 U ρ 0U 3 ∫0
关于湍流边界层中的速度分布，形式和经 验公式都很多。 有时，着眼于边界层内的流速与外部主流 流速的差额，因此可采用所谓的亏损律分布形 式。所谓亏损，是主流流速减去边界层内的流 速，而亏损律是把这个差值通过摩擦速度和无 量纲离壁距离表示的函数。 对于湍流边界层的外层，因为湍流是间歇 性的，所以采用另一个分布函数形式，称为尾 迹律。 请参见Schlishting的《边界层理论》。
[5]边界层的厚度 ◎位移厚度——由于边界层的存在，实际流过 边界层内的流体质量比理想情况时的减小，其 δ 减小量为
∫ (ρ U − ρu )dy
0 0
设这个减小量与主流流过的厚度为δ 1 的流层内 的流量 ρ 0Uδ 1 相等，则
1 δ1 = ρ0U
∫ (ρ U − ρu )dy
《流体力学考》考点重点知识归纳(最全)
《流体力学考》考点重点知识归纳1.流体元：就有线尺度的流体单元，称为流体“质元”，简称流体元。
流体元可看做大量流体质点构成的微小单元。
2.流体质点：（流体力学研究流体在外力作用下的宏观运动规律）（1）流体质点无线尺度，只做平移运动（2）流体质点不做随即热运动，只有在外力的作用下作宏观运动；（3）将以流体质点为中心的周围临街体积的范围内的流体相关特性统计的平均值作为流体质点的物理属性；3.连续性介质模型的内容：根据流体指点概念和连续介质模型，每个流体质点具有确定的宏观物理量，当流体质点位于某空间点时，若将流体质点的物理量，可以建立物理的空间连续分布函数，根据物理学基本定律，可以建立物理量满足的微分方程，用数学连续函数理论求解这些方程，可获得该物理量随空间位置和时间的连续变化规律。
4.连续介质假设：假设流体是有连续分布的流体质点组成的介质。
5.牛顿的粘性定律表明：牛顿流体的粘性切应力与流体的切变率成正比，还表明对一定的流体，作用于流体上的粘性切应力由相邻两层流体之间的速度梯度决定的，而不是由速度决定的：6.牛顿流体：动力粘度为常数的流体称为牛顿流体。
7.分子的内聚力：当两层液体做相对运动时，两层液体的分子的平均距离加大，分子间的作用力变现为吸引力，这就是分子的内聚力。
液体快速流层通过分子内聚力带动慢流层，漫流层通过分子的内聚力阻滞快流层的运动，表现为内摩擦力。
、流体在固体表面的不滑移条件：分子之间的内聚力将流体粘附在固体表面，随固体一起运动或静止。
8.温度对粘度的影响：温度对流体的粘度影响很大。
液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度则相反，随温度的升高而增大。
压强对粘性的影响：压强的变化对粘度几乎没有什么影响，只有发生几百个大气压的变化时，粘度才有明显改变，高压时气体和液体的粘度增大。
9.描述流体运动的两种方法拉格朗日法：拉格朗日法又称为随体法。
它着眼于流体质点，跟随流体质点一起运动，记录流体质点在运动过程中会各种物理量随所到位置和时间的变化规律，跟中所有质点便可了解整个流体运动的全貌。
边界层内外流动的特点
边界层内外流动的特点边界层是指地球表面的气象层，它与地面的摩擦作用和大气绕流相互作用，形成了气候和天气等现象。
边界层的内外流动是边界层流体动力学中的一个重要现象，它具有以下几个特点。
1.边界层的内外流动存在着不同的运动特性。
边界层内的流动主要受到地面摩擦力的影响，流速较低，流线密集且弯曲，流动较为复杂。
而边界层外的流动则主要受到地转偏向力的影响，流速较高，流线较直，流动较为简单。
2.边界层的内外流动对能量传输和质量交换有不同的贡献。
边界层内的流动主要通过湍流的方式将能量和质量从地面向上输送，对于地表的冷热平衡和水汽输送起着重要作用。
而边界层外的流动主要通过大气环流来实现能量和质量的传输，对于全球气候和天气系统的演变具有重要影响。
3.边界层的内外流动还具有不同的空间和时间尺度。
边界层内的流动尺度较小，通常在几十米至几千米之间，时间尺度也较短，通常在几分钟至几小时之间。
而边界层外的流动尺度较大，通常在几百至几千千米之间，时间尺度也较长，通常在几天至几个月之间。
4.边界层的内外流动还存在着耦合和相互影响的关系。
边界层内的湍流在一定程度上影响着边界层外的大气环流，而边界层外的大气环流又通过气候系统的变化反过来影响边界层内的流动。
这种耦合和相互影响的关系使得边界层的内外流动在气象学、气候学和大气环流研究中都具有重要意义。
总的来说，边界层的内外流动具有运动特性不同、贡献不同、尺度不同和相互影响等特点。
深入研究和理解边界层的内外流动对于气象学、气候学和大气环流研究具有重要意义，也有助于提高对地球气候和天气变化的预测能力。
5边界层理论
p 2 2 u ) Fy ( 2 2 ) y方向动量微分方程 （ x y y x y
二、流动边界层
1. 定义：当流体流过固体壁面时,由于流体粘性的作用,使得 在固体壁面附近存在速度发生剧烈变化的流体薄层称为流 动边界层或速度边界层。
传Байду номын сангаас学
对流传热微分方程组 边界层理论
一、对流传热微分方程组
二维、常物性、不可压缩流体对流传热问题
对流传热微分方程式
hx
t t w t y
y 0, x
2t t t t 2t c p 能量微分方程 u x y x 2 y 2 u 0 连续性方程 x y u u u p 2u 2u u ) Fx ( 2 2 ) x方向动量微分方程 （ x y x x y
三、温度边界层（热边界层）
1. 定义：在对流传热时，固体壁面附近温度发生剧烈变化的 流体薄层称为温度边界层或热边界层。
2. 温度边界层厚度δ t的规定：
过余温度等于主流区流体的过余温度的99%。
t t w
t
99%t t w
3. 特点：
温度边界层厚度δt也是比壁面尺度 l 小一个数量级以上的小量即 δt << l。
2. 速度边界层厚度δ 的规定：速度等于主流速度的99%。
3. 特点：
边界层厚度δ是比壁面尺度l 小一个数量级以上的小量，即δ<< l。
如：20℃空气在平板上以16m/s 的速度流动，在1m处边界层的厚度约为5mm。
5
cm 4
3 2 1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
大气边界层的湍流结构与特征研究
大气边界层的湍流结构与特征研究大气边界层是指地球表面与大气中高空空气交接的层次。
在大气边界层中存在着湍流结构，这种结构对于气象、环境、风能等方面具有重要意义。
本文将对大气边界层的湍流结构及其特征进行研究。
一、大气边界层与湍流结构大气边界层是指地球表面与大气中高空空气交接的层次。
其高度范围一般为地表附近几百米到几千米。
大气边界层中存在着湍流结构，湍流是一种流体运动的不规则性，它体现为速度、能量和质量的扩散。
大气边界层的湍流结构主要受到以下因素的影响：1. 风速和风向：风速越大，湍流结构越发展，风向变化剧烈时，湍流结构也会发生变化。
2. 地表形态和植被：地形起伏、建筑物和植被对湍流结构有较大影响，如山地、城市和森林等地形具有不同的湍流特性。
3. 气象条件：大气温度、湿度、辐射等气象条件对湍流结构具有一定影响。
4. 大气层中的层结和不稳定度：大气层中存在的温度、湿度层结以及不稳定度的变化，会对湍流结构产生影响。
二、大气边界层湍流特征大气边界层湍流具有以下特征：1. 三维结构：大气边界层中的湍流运动是三维的，在水平、垂直和时间尺度上都具有不规则性。
2. 不稳定性：大气边界层中存在温度、湿度的垂直梯度，不稳定度较高，湍流结构也较为发达。
3. 多尺度性：大气边界层湍流在不同的尺度上都存在，从小到大可以有小涡旋、湍流爆破、辐合辐散等不同尺度的结构。
4. 波动性：湍流结构具有剧烈变化的特点，可以存在波动、混沌等非线性现象。
三、大气边界层湍流研究方法大气边界层的湍流结构研究主要通过以下方法进行：1. 实地观测：在大气边界层进行气象探测，通过测量风速、风向、温度、湿度等参数，可以获取湍流结构的一些特征。
2. 数值模拟：利用计算流体力学方法对大气边界层中的湍流结构进行数值模拟，可以模拟出湍流的演化过程及其物理特性。
3. 实验室模拟：通过实验室装置，模拟大气边界层内的湍流结构，探究湍流的形成机制和特征。
四、大气边界层湍流结构的研究意义对大气边界层湍流结构的研究具有以下意义：1. 预测和预警：了解大气边界层湍流结构的特征，可以为天气预测、灾害预警等提供依据。
边界层的概念和特点
边界层的概念和特点
边界层是液体或气体中与相邻物质形成接触面的区域，具有以下特点：
一、边界层距离物体表面越远，其流体运动的影响越小，速度越接近
静止。
二、边界层内液体或气体的速度分布不均匀，靠近物体表面处速度很小，离开物体表面速度渐增。
三、边界层内存在摩擦力，会对流体产生阻力，增加流体在物体表面
的黏附力和摩擦力。
四、在边界层内因为液体或气体的速度梯度，会产生一定的动压力和
静压力，形成压力梯度。
五、边界层内的扰动容易被放大，因此事先要对边界层进行充分的计
算和分析。
边界层在流体动力学、传热学、腐蚀、涂装、污染物扩散等领域都有
重要的应用。
边界层理论的发展也推动了流体力学和相关学科的进一
步发展。
边界层内流体的特点
边界层内流体的特点
边界层内流体的特点包括以下几个方面：
1. 粘性流动：边界层内流体具有较高的粘性，因此流体粘附在固体物体表面形成粘性层，使得流体在这一层内具有较高的摩擦阻力。
2. 速度梯度：在边界层内，由于粘性的存在，流体的速度呈现梯度变化。
流体靠近固体表面的速度较低，而远离固体表面的速度较高。
3. 层流特性：在边界层内，流体通常呈现层流的运动特性，即流体在垂直于固体表面的方向上的流动速度变化较慢。
层流特性的存在使得流体对固体表面的摩擦力均匀分布。
4. 热传导：边界层内流体的热传导能力较强，因为边界层内流体与固体表面间的分子距离较近，分子之间的相互作用较强，从而有利于热量的传导。
5. 层压效应：由于边界层内速度变化较小，流体在这一区域内的压力也会发生变化。
由于速度较快的流体在压力较低的区域，而速度较慢的流体在压力较高的区域，形成了一个层压效应。
总的来说，边界层内流体具有较高的粘性，速度梯度明显，呈现层流特性，热传导能力强，并且存在层压效应。
这些特点对于边界层内流体的运动和热传导有着重要的影响。
不同形状物体的阻力系数1
u*
v* x*
v*
v* y*
Eu
p* y*
1 Re
2v* ( x*2
2v* y*2 )
1 *
* 1
1
1
*
*2
*
1
*
式中 u* u , v* v , x* x , y* y , p* p .
U
U
l
l
p0
设 * l ,在边界层内 y* , v* ~ * , x* , u* , p* ~ 1 ,Re ~ 1 *2 , Eu2 ~ 1
dx
dx
②第二式右边得到简化（x方向二阶偏导数消失），有利于数值
计算。利用该方程就可计算壁切应力和流动阻力，具有里程碑 式意义。
C4.3.2 布拉修斯平板边界层精确解
布拉修斯利用相似性解法，引入无量纲坐标：
yy U
x
用无量纲流函数 f 表示速度分量u, v, 如
f ' u
U
普朗特边界层方程可化为布拉修斯方程：
2 f ''' ff '' 0
边界条件 0, f f ' 0
, f ' 1
由数值解绘制的无量纲速度廓线 与尼古拉兹实验测量结果吻合。
C4.3.2 布拉修斯平板边界层精确解
对布拉修斯方程较精确的求解结果列于附录E表FE1中
按边界层名义厚度 定义，取 f ' 0.99 得 5.0
Re
Vl
2.810 1106
2.8 107
大Re数流动是常见现象.
C4.2.1 边界层特点
1. 边界层很薄 普朗特理论：边界层内惯性力与粘性力量级相等。
C4.2.1 边界层特点
动力气象学 (8.1)--大气边界层
• 边界条件：
上边界，在离开地面足够高的地方（边界层顶）湍流粘性 力足够小，那里的风变为地转风
当z 时，u ug , v vg
下边界，当z=0时，u=0,v=0
• 为了数学处理方便，还可以进一步简化，取x轴与等压线 平行，有 vg=0
• 引进复数算法求解方程
令 u iv，D (u ug ) i(v vg ) ua iva
（2）风向有规则地随高度右旋；
（3）受地面热力作用影响大，低层大气温度分布呈现出很 大的垂直梯度；
重要性：
（1）人类活动区 （2）43%入射太阳能在此被吸收、而后返回大气 （3）几乎所有水汽在此被接受，并通过水汽提供大气
内能的50% （4）由于摩擦力的存在，几乎消耗整个大气动能的一
半左右 行星边界层既是整个大气的主要能量源，也是大气的动 量汇，它在地球表面和自由大气之间的热量、水汽和动量的 交换中起着重要作用，对天气系统的发展演变有很大影响。
§1.1 常值通量层中的风速垂直分布（对数律和综合幂次律）
• 中性大气中的对数律：
自由大气
u u * ,
z z
边界条件 z z0时，u 0
推出 u u * ln z
z0
Ekman层 (100m-1km)
边 界
层
近地层(2-100m)
贴地层(0-2m)
• 层结大气中的综合幂次律
一、Ekman抽吸
利用不可压连续方程：
u v w 0 w (u v )
x y z
z x y
hT w
hT u v
0
z
dz
0
(
x
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边界层的特点
边界层是大气中与地面接触的最底层，在大气物理学中具有重要的地位。
边界层的特点包括以下几个方面：
1.高度及厚度：边界层的高度通常在地面上方几百米到几千米之间，
但在特殊地形或气象条件下可能会有较大差异。
边界层的厚度通常在几十
至几百米之间。
2.动力状况：边界层受到地面摩擦力和大气压力的共同作用，在这两
种力的影响下，边界层呈现出一系列的动力特征。
例如，边界层中的风速
垂直向上逐渐减小，呈现出递减趋势。
此外，边界层中的湍流运动频繁而
强烈，湍流运动是边界层中能量传递和物质输送的重要机制。
3.湍流特性：边界层中存在着不同尺度的湍流结构，从大尺度的湍流
涡旋到小尺度的湍流涡旋，从宏观到微观，湍流现象与气象现象相互交叉。
湍流结构在空间和时间上都呈现出多样性和复杂性。
4.温度和湿度特征：边界层的温度和湿度特征与地表的温度和湿度分
布息息相关。
由于边界层中湍流的作用，气温和湿度的垂直分布呈现出很
大的变化。
一般来说，边界层中的温度呈现递减趋势，湿度则呈现递增趋势。
5.边界层稳定性：边界层的稳定性是指大气中的密度和温度分布是否
对小范围的扰动保持稳定的影响。
边界层的稳定性与空气的垂直运动以及
湍流的发展有关。
边界层的稳定性在大气科学和气象学中具有重要的作用，影响着气象现象的发生和发展。
综上所述，边界层是大气中与地面直接相互作用的层次，具有独特的物理和动力学特征。
对于认识大气环境和气候变化，以及预测天气和研究气候变暖等问题，理解和研究边界层的特点具有重要的科学意义。