10第六章边界层气象学中的非定常问题4
边界层理论PPT课件
第四节 平板绕流摩擦阻力计算
所以，总阻力
S LB yx
y0
1 2
C
f
2
0
LB
0.664 03B2L
另一方面，由边界层积分方程的解，也可以计算 出层流平面绕流摩擦阻力，
即由
和 x
0
3 2
y
1 2
y
3
4.64 x 4.64 x
0
Rex
可得到
x 3 1
yx y0
y y0 2 0
x
y
y
y
Y
1
p y
2 y
x2
2 y
y 2
y方向动量传输方程
注：x
t
x
x
x
y
x
y
z
z
z
X
1
p x
2x
x2
2 x
y 2
2z
z 2
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第二节 方程）
平面层流边界层微分方程（普朗特边界层微分
考虑不可压缩流体作平面层流（二维流场），此时质
量力对流动产生的影响较小，则有方程组
m l
m x x
m x
d dx
l
dy x
0
x
BC面在边界层之外，流体沿x方向的速度近似等于υ0，故此由BC面流入 的动量在x方向的分量Ml
M l
m l0
0
d dx
l
dy
x
x
0
4）AD面没有质量流入、流出，但有动量通量存在，其值为τ0，故此由
AD面在单位时间内传给流体的粘性动量为τ0Δx。
2! 2 5! 4 8!
8 11!
n1
边界层的基本概念 文档
飞机飞行中： 机翼（特征长度）L：1m， 2
=ν 则：Re——711060
绕流现象的主要表现
总之，在气象、海洋、以及造船、航空、动力机械等领 域内存在大量的大雷诺数问题，即粘性较小的流体（水，空 气，蒸汽等）以较高的流速绕流物体。在这种情况下，流体 运动主要受惯性力支配，而粘性力的影响主要限于边界层范 围以内，这就是绕流现象重的基本力学性质。 如河流经水坝，飞行器在空中飞行。在热力发电厂中，绕流 现象也普遍存在，炉膛内高温烟气流过各种受热面，在汽轮 机，泵和风机内流体绕叶栅等。
5-4 边界层的基本概念
目标
1.绕流现象的主要表现有哪些？ 2.什么是附面层（边界层）、边界层分哪几
部分？边界层的特征有哪些？ 3边界层流态如何判别，影响因素有哪些？
1904年德国 普朗特 提出边界层的概念。这对解决实 际流体绕行问题做出了前所未有的贡献。因为在此 之前，运用理想流体理论根本无法解决绕流物体的
阻力问题。
在自然界和工程实际中，有大量流体绕流 物体的流动问题。 实际流体都有粘性，在 大雷诺数的绕流中，由于流体惯性力远大 于作用于流体的黏性力，黏性力相对于惯 性力可忽略不计，将流体视为理想流体。 由理想流体的流动理论求解流场中的速度 分布。但在靠近物体的一薄层内，由于存 在强烈的剪切流动，黏性力与惯性力处于
存在一个层流底层
判别层流边界层和紊流边界层的标准仍然是雷诺数。
当时Rex≤Recr边界层内时层流状态， Rex＞Recr ，边 界层内时紊流状态。
影响它们们的因素还主要是雷诺数的影响， 而影响雷诺数的因素有很多，来流紊流度。 物体表面的粗糙度等都会影响临界雷诺数 的数值。事实表明，增加来流紊流度和物 体表面粗糙度都会降低临界雷诺数，是紊 流边界层提前出现。
6第六章-边界层
2 y 2 1 y1 y ( c o s ) ( s i n ) 2 0 2 2 4 0
2 2 21 ( ) 0 . 1 3 6 6 4 2
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19
2 y 2 y y ( s i n s i n )( d ) 0 2 2 2
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层流边界层与湍流边界层
边界层内的结构
层流 湍流 转捩区 层流底层
边界层内流动状态为层流时，称为层流边界层； 当边界层内流动为湍流时，称为湍流边界层； 从层流变为湍流的过渡段，称为转捩区(或过渡区)。
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3、边界层厚度
边界层厚度
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【例1】设边界层内速度分布为
y ， V x V
1 7
ห้องสมุดไป่ตู้
求: 不可压流体流过平板时位移厚度和动量损失厚度。 解：由定义 * (1 Vx )dy 0 V
y 令
因此
Vx 7 , dy d 则 V
1 1 7
8 7
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边界层内由于粘性影响 使质量流量减少的总量为:
V)d y ( V
0 x
理想流体以速度 V 流过 物面时物体表面向外移动 了距离 *所减少的流量
V *
根据质量守恒定理，有
V * ( V V ) d y x 0
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分析方程各项数量级，简化方程：
边界层气象学
定义：微气象学就是研究湍流这类小尺度现象的。
微气象学的三种研究途径：1. 随机方法2. 相似理论3. 现象分类虚位温虎位温是研究上升气流普遍采用的一个变最，在同一气压条件下，使干空气密度必须等于湿空气密度的正是此温度。
饱和空气虚位温定义为：2=0(1 + 0.611 —兀)未饱和空气虎位温定义为：0v=6 (l+0.61r-r)粘滞应力定义：当一部分流体运动时，分子间作用力往往会在同一方向拖拽相邻的流体分子使流体产生变形的力叫做粘滞应力。
>当流体中存在剪切运动时便有粘滞应力存在。
运动可以是层流，也可以是湍流。
>粘滞应力可通过除以流体平均密度而成为运动学形式>海面标准人气的运动学粘度>风剪切du/dz=0.5 s1(在大气表面层具有代表性)时，粘滞应力 (注意单位！)>在边界层中，粘滞应力的量值与雷诺应力相比很小，以致在平均风速预报中通常被忽略不计。
然而，湍流涡在局地涡尺度人小地区域中，则具有人的多的剪切，所以在预报湍流时，这个粘性应力不能忽略。
强M流湍流可以由浮力对流过程和机械过程产生，冇时是-•种过程处于支配地位，当机械过程占优势时，边界层被认为处于自由对流状态.片流不稳定导致KH波形成和湍流开另一个值氓指示湍流终I卜•时的临界理査孙数。
・对动力稳定度判据可作如卜说明:-当RivRc时,片流变成湍流:■当Ri＞&时，湍流变成片流:・尽管目前Rc和&的精确值还存在某些争议,但采用0=0.2）025, R T M.O似乎还是可以的;・因为班＞Rc于足，就出现了滞后作用的问题。
湍流定义：不规则的涡旋运动湍流的特点：（1）随机性：湍流是非规则的、混乱的、不可预测的：（2）非线性：湍流是高度非线性的。
当流动达到某一特定状态，如Re数超过某临界值，流动中的小扰动就会自发地增长，并很快达到一定的扰动幅度；（3）扩散性：湍流会引起热量、动量及流动中的其他物质快速扩散；（4）涡旋性：湍流由无数大小不同的湍涡组成，他们分裂、合并、拉长、旋转：（5）耗散性：湍流的能量是由人湍涡向小湍涡传递，最后通过分子粘性耗散为热能。
边界层理论
6.95 5 10 1.965 4 0.15 10 3
3
从表12-1中，用内插法，查得
vx ' f ( ) 0.619 U
所以 Vx ＝0.619Ｕ＝4.3ｍ/ｓ
（2）按上例条件，求ｘ＝３ｍ处的边界层厚度δ
解:
按定义边界层外边界上速度 Vx=99％Ｕ
查表12-1，找出 由
v y ~
v 2v 1 y x ~ 1， ~ , 2 x y v y ~ , x 2v y ~ 2 x
v 1 x ~ y
2v 1 x ~ 2 2 y
化简后为
vx vx 2 vx 1 p vx vy x y x y 2 p 0 y v y vx 0 x y
由于f和η 均为无量纲量，且在方程及边界 条件中不显含ν 及Ｕ，故所得结果可以一劳永逸 地应用。 表12-1给出问题的数值解，其中
vx f ( ) U
'
就
是边界层内无量纲的速度分布。
例7.1
本例说明上表12-1的用法。
(1)
欲求边界层内点（x,y）的速度Vx（x,y）
U 可将ｘ及ｙ的值代入 y x 中得出η 值，由
LU 2
Re L
b
总摩擦阻力系数Ｃｆ由下式确定：
1.328 Cf 1 2 Re L 2 U bL
L
Rf
（12-21)
为按平板板长计算的雷诺数。算出 式中 Re Re
UL
摩擦阻力系数后，可确定平板层流边界层情况 下的摩擦阻力为：
1 2 R f C f U bL 2
(12-22)
1 p p p ( p dx)d ( p dx)( d ) 0 dx 2 x x p dx 0 dx x
边界层理论PPT精选文档
5.1、边界层近似及其特征
普朗特重视观察和分析力学现象，养成了非凡的直观洞察能力，善 于抓住物理本质，概括出数学方程。他曾说：“我只是在相信自己对物 理本质已经有深入了解以后，才想到数学方程。方程的用处是说出量的 大小，这是直观得不到的，同时它也证明结论是否正确。” 普朗特 指导过81名博士生，著名学者Blasius、Von Karman是其学生之一。我 国著名的空气动力学专家、北航流体力学教授陆士嘉先生（女，1911– 1986）是普朗特正式接受的唯一中国学生，唯一的女学生。
粘性流体流经任一物体（例如机翼与机身）的问题，归结 为在相应的边界条件下解N—S方程的问题。由于N—S方程太复 杂，在很多实际问题中，不能不作一些近似假设使其简化，以 求问题得以近似地解决。简化时，必须符合物理事实，因此首 先看看空气流过静止物体（例如翼型）的物理图画：
位流区
边界层
流动分为三个区域：1. 边界层：N－S化简为边界层方程 2. 尾迹区：N－S方程 3. 位流区：理想流方程
EXIT
5.1、边界层近似及其特征
2、边界层的特征
（1）边界层定义 严格而言，边界层区与主流区之间无明显界线，通常
以速度达到主流区速度的0.99倍作为边界层的外缘。由边 界层外缘到物面的垂直距离称为边界层名义厚度，用δ表 示。
（2）边界层的有涡性 粘性流体运动总伴随涡量的产生、扩散、衰减。边界
层就是涡层，当流体绕过物面时，无滑移边界条件相当于 使物面成为具有一定强度的连续分布的涡源。
对于曲率不大的弯曲物面，上述边界层方程也近似成立。 只是要将x和y按上述曲线坐标处理即可。当然如果曲率过大， 则沿法向压强保持不变的条件就很难满足了。
EXIT
5.2、平面不可压缩流体层流边界层方程
流体力学第六章 边界层理论
流体力学第六章
流体力学第六章
Q
v
uv
u dy
udy U
y x 0 0 x
x 0
而
0
uK1
v y
dy
0
uK1
u x
dy
1 K
2
0
x
uK2dy
1 K
2
x
0
uK2dy
U K2
于是第二个积分
vuKudy
v
0
y K10 y
uK1
dyK1(x10u(dyU uK2)U dyK1UK2)
流体力学第六章
u
u x
v
u y
p x
2u y 2
已知普朗特方程组
p y
0
u x
v y
0
0
uk 1
udy x
0
ukv
udy y
p x
0
uk dy
0
uk
2u y2 dy
积分一
积分二
积分三
其中 (x)
(6 2 1)
流体力学第六章
b(x) a(x)
ddxx(x)dx
x 0
0
uk1
u y
2
dy
uk2dy Uk1
udy
k 1 x 0
k 1 x 0
p x
0
uk
dy
k
0
uk1
u y
2 dy
(6-2-3)
流体力学第六章
uk2dyUk1 udy
k1 x 0
k1x0
px0ukdyk0uk1uy2dy
(6-2-3)
上式为哥路别夫积分方程。
边界层重要知识点归纳
边边界界层层重重要要知知识识点点归归纳纳第第一一章章大气边界层的定义：大气的最低部分受下垫面（地面）影响的层次，或者说大气与下垫面相互作用的层次。
大气边界层的厚度差异很大，平均厚度为地面以上约1km 的范围，以湍流运动为主要特征。
还可细分为近地层（大气边界层下部约1/10的厚度内）和Ekman 层。
大气边界层的主要特征：（1）大气边界层的主要运动形态一般是湍流：不规则性和脉动性（2）大气边界层的日变化：气象要素的空间分布具有明显的日变化。
【大气边界层湍流：①机械湍流：风切变，机械运动；②热力湍流：辐射特性的差异；】大气边界层的分层：(1)粘性副层（微观层）(2)近地层（常通量层）(3)Ekman 层（上部摩擦层）【(1).粘性副层（微观层）：分子输送过程处于支配地位，分子切应力远大于湍流切应力。
(2).近地层（常通量层）：大气受地表动力和热力影响强烈，气象要素随高度变化激烈，运动尺度小，科氏力可略。
(3).Ekman 层（上部摩擦层）：在这一层里，湍流粘性力、科氏力和气压梯度力同等重要，需要考虑风随高度的切变。
】大气边界层厚度：边界层厚度的时空变化很大，空间范围从几百米到几千米。
海洋上：由于海水上层强烈混合使海面温度日变化很小。
陆地上，边界层具有轮廓分明、周日循环发展的结构。
大气边界层结构：（1）混合层： （2）残留层：日落前半小时，湍流在混合层中衰减形成的空气层，属中性层结。
（3）稳定边界层：夜间，与地面接触的残留层底部逐渐变为稳定边界层。
其特点为在静力稳定大气中有零散的湍流，虽然夜间近地面层风速常常减弱或静风，但高空200m 左右，风却由于低空急流或夜间急流能达到超地转风。
第二章湍流：流体运动杂乱而无规律性（运动具有脉动性），不同层次的流体质点发生激烈的混合现象，流体质点的运动轨迹杂乱无章，其对应的物理量随空间激烈变化。
雷诺数：——湍流判据，特征Re 数定义： =特征惯性力/特征粘性力；它表示了流体粘性在流动中的相对重要性：（1）Re 》1，粘性力相对小（可忽略），大Re 数流体，弱粘性流；（2）Re 《1，惯性力相对小（可忽略），小Re 数流体，强粘性流； ν/Re UL ≡（3）Re=1，二者同等重要，一般粘性流；湍流的基本特征：（1）随机性；（2）非线性；（3）扩散性；（4）涡旋性；（5）耗散性湍流的定量描述：湍流运动的极不规则性和不稳定性，并且每一点的物理量随时间、空间激烈变化，湍流的杂乱无章极随机性可以用概率论及数理统计的方法加以研究。
大气边界层理论
⼤⽓边界层理论⼤⽓边界层是地球⼀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。
由于⼈类⽣活在⼤⽓底层⼀⼤⽓边界层中,因此⼈体健康与⼤⽓环境密切相关。
天⽓、⽓候的变化往往会影响到⼈体对疾病的抵御能⼒,使某些疾病加重或恶化,同时适宜的⽓象条件⼜使病毒、细菌等对⼈体有害的⽣物繁殖、传播,使⼈们感染⽽患病。
在城市尤其是⼤城市,⼈⼝、机动车、燃煤量的增加,以及城市⼯业化的发展,⼤量⽣产中的废⽓、尘埃和汽车尾⽓排放到⼤⽓中加上⾼⼤建筑的增加,改变了城市的⼩⽓候,使城市在⽆强冷空⽓活动的情况下,⼤⽓扩散能⼒极差,造成⼤⽓质量不断恶化,从⽽危害到⼈体健康,影响⼈类的正常⽣活。
因此,边界层尤其是城市边界层⼤⽓结构及其与污染物浓度之间关系的研究具有特殊重要的意义。
边界层定义为直接受地⾯影响的那部分对流层,它响应地⾯作⽤的时间尺度为⼩时或更短.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。
这些作⽤包括摩擦阻⼒、蒸发和蒸腾、热量输送、污染物排放,以及影响⽓流变化的建筑物和地形等。
边界层⼀般⽩天约为1 km,夜间⼤约在200 m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。
地⾯典型吸收率约为90%,其结果使⼤部分太阳能被地⾯吸收。
正是地⾯为响应太阳辐射⽽变暖或变冷,它依次迫使边界层通过输送过程⽽变化。
边界层内⽓流或风可以分为平均风速、湍流和波动三⼤类。
边界层中诸如湿度、热量、动量和污染物等各种量的输送,在⽔平⽅向上受平均风速⽀配,在垂直⽅向上受湍流⽀配平均风速是造成快速⽔平输送或平流的主要原因。
边界层中⼀的⽔平风速2~10 m是常见的。
在夜间边界层中经常观测到的波动,虽然它们只能输送少量的热量、湿度和污染物之类的标量,但在输送动量和能量⽅⾯却有着显著的作⽤。
许多边界层湍流是由来⾃地⾯的作⽤引起的,例如⽩天阳光充⾜,地⾯的太阳加热使暖空⽓热泡上升,这种热泡就是⼤湍涡。
边界层气象学试题库
一、名词解释 (每小题 6 分，共 30 分)1. 雷诺数Re ≡UL/v=特征惯性力/特征粘性力。
Re 数是判断两粘性流体运动是否相似的重要判据之一。
2. 总体理查逊数3. 雷诺平均对于任一物理量，当定义平均值后，可将湍流运动表示为 湍流运动=平均运动+脉动运动。
而将任意实际物理量表示为：，则为雷诺平均。
4. 大气边界层大气的最低部分直接受下垫面（地面）影响的层次，或者说大气与下垫面相互作用的层次。
大气边界层厚度的时空差异很大，平均厚度为地面以上约1km 的范围，以湍流运动为主要特征。
还可细分为近地层（大气边界层下部约1/10的厚度内）和Ekman 层。
大气边界层又称行星边界层，是指存在着连续性湍流的低层大气：（1）湍流是边界层大气的主要运动形态，对地表面与大气间的动量、热量、水汽及其他物质的输送起着重要作用；（2）地球表面热力强迫的日变化通过湍流混合扩散使得边界层中气象要素呈现日周期的循环。
5. 定常湍流如果这些湍流统计参数不随时间变化，就称为平稳湍流或定常湍流；此时，足够长时间的平均即接近于总体平均。
6. 均匀湍流≡如果统计参数不随空间变化，称之为均匀湍流；此时，足够大的空间平均也接近于总体平均。
7. 普朗特混合长湍流运动中，单位质量的流体微团含有某种特性量q ，如果① q 是被动的，即不影响流体的运动情况； ② q 是保守的，即在运行距离 之后，q 值守恒。
在湍流运动过程中特性量q 保持不变（失去原有特性）前所走过的距离，称之为混合长。
8. 常值通量层近地层较薄，可近似认为动量、热量和水汽垂直湍流输送通量几乎不随高度变化（风向也几乎不随高度改变），各种通量近似为常值，故称为常值通量层。
常值通量层通常指的是动量常值通量层。
9. Monin-Obukhov 长度10. 动力内边界层上游来流为中性大气，气流从一种粗糙度表面跃变到另一种粗糙度的下垫表面，在地面的动力强制作用下，在新的下垫面上空将形成一个内边界层，即动力内边界层。
流体力学-第六讲,边界层理论
件下流场可以看作由两部分组成 ：边界层区和理想流
体区域。
（1）边界层内流动：
按实际流体处理，计粘性力。
处 分作 界为 ：两 一个 般区 把间 速的 度分 等界 于面 0.9。9u（ 来流速度）
（2）边界层外流动（主流区）：
按理想流体处理，不计粘性力。
粘性流体运动服从N-S方程，由于方程的非线性 和边界条件的复杂性，到目前为止还不能用解析方法 求解，给出边界层的定义后，我们可以把流场分为两 部分：一部分为附面层（边界层），属于粘性流，其 中，由于附面层尺寸小，与物体几何尺寸比起来属于 微量，于是N-S方程可以简化。另一部分为主流区， 速度梯度很小，粘性力可以不计，按理想流体来处理。 这种方法是Prandtl提出来的，为流体力学的发展提 供了重要条件。
L u
L2 2
Lu
1 02
即得
Re ～( 1 ) 02
（4）由能量方程 p u x 2 c ，得 2
p x
～u x
u x x
p y
～u
x
u x y
即
p0 x 0
～u
0 x
u
0 x
x 0
p0 y0
～u
0 x
u
0 x
y0
同理可得：
p0 x 0
～(1)，
p0 y0
～(
1 0
)
将上面分析得出的各项量级附写在下式的下面，得
析计算，为此，由三种较严格的规定附面层厚度的方法。
1、 边界层的排挤厚度（流量损失厚度）1 2、 边界层动量损失厚度2 3、 边界层动损失厚度2
A、边界层的排挤厚度（流量损失厚度）
在边界中，由于存在粘性必将引起速度的下降，于是在边界层 中通过的流量必将减小，因而势必有一部分流量被排挤到主流区 (即理想流区)中去，如图所示。
大气边界层
如果地面粗糙原因诸如植被的高度和范围，围墙兴建， 房屋建造，森林砍伐等等而发生变化的话，那么空气 动力粗糙度也会随之发生变化
不同地表粗 糙度取值
海面的粗糙度
一些学者（Chamberlain,1983）提出用某些粗糙因子 之间的经验关系来估计粗糙度。对海面，沙地和雪面
5
热带森林
1.7-2.3
2
密集低矮建筑物(市郊)
0.4-0.7
3
规则建筑物的城镇
0.7-1.5
4
零值位移d值的计算
在森林地区、城镇建筑物上空、下垫面上种植有高杆作物地区以
及洋面存在较高波浪的条件下，通量廓线关系公式需作一定的修正，此
时下垫表面（陆地、海洋）的起始高度将被抬高到作物、森林、建筑物
和波浪顶层附近，必须以z-d值置换z值，d值称作动力学零值位移。
据以决定无量纲组的值 4）对资料进行曲线拟合或者求回归方程，以描
述这些无量纲之间的关系
实例：近地层中水平脉动方差u作为高度函数的相似形关系
（1）选择与大气边界层要素有关的变量：
已知变量：近地层中水平脉动方差u和高度z，
相关变量：摩擦速度u*、风速u、Obukhov长度L、地表粗糙度z0、
边界层高பைடு நூலகம்zi等，
料求 和u Z* 0
U u*
1 k
(ln
z ln
z0 )
u1 u* u2 u*
1 k 1 k
(ln (ln
z1 ln z0 ) z 2 ln z0 )
零平面位移距离d （重要）
在陆地上，如果各个粗糙元被组合得非常紧密， 那么这些粗糙元顶部的作用就好是一个位移了 的地面
边界层问题的应用
边界层问题的应用一、引言边界层问题是指在流体力学中，液体或气体流动时与固体表面的相互作用所形成的薄层区域。
这个问题在工程领域中具有广泛的应用，如飞机翼、汽车外壳、船舶表面等。
本文将详细介绍边界层问题的应用。
二、边界层问题的概念1. 边界层的概念边界层是指流体靠近固体表面处速度变化很小，温度和浓度变化很大，粘性阻力很大的一个薄层区域。
2. 边界层分为哪几种类型？边界层分为两种类型：黏性边界层和无黏性边界层。
黏性边界层是指在固体表面附近速度变化很小，粘性阻力很大；无黏性边界层是指在固体表面附近速度变化很大，粘性阻力很小。
3. 边界层厚度如何计算？边界层厚度可以通过Reynolds数（Re）计算得出。
公式如下：δ = 5 * x / sqrt(Re)其中，δ表示边界层厚度，x表示距离固体表面的距离，Re表示雷诺数。
三、边界层问题的应用1. 飞机翼表面设计飞机翼表面设计是边界层问题的一个重要应用。
在飞行过程中，空气流经翅膀表面时会形成边界层，这会对飞机的飞行性能产生影响。
因此，在设计飞机翼表面时需要考虑边界层问题。
为了减小阻力和提高飞行效率，通常采用凸起型翅膀来改善边界层流动。
同时，在翅膀前缘处加入细小的颗粒可以使得边界层更加稳定。
2. 汽车外壳设计汽车外壳设计也是边界层问题的一个重要应用。
汽车在行驶过程中会遇到空气阻力，因此需要优化汽车外壳设计以减小阻力并提高油耗效率。
在汽车外壳设计中，需要考虑空气流动时形成的边界层。
通过优化汽车外壳形状和表面处理方式可以改善空气流动并降低阻力。
3. 船舶表面涂料设计船舶表面涂料设计也是边界层问题的一个重要应用。
在海洋中行驶的船只会遇到水阻力，因此需要优化船舶表面设计以减小阻力并提高速度。
通过在船舶表面涂上特殊的涂料，可以改善水流动并降低阻力。
同时，在船首处加入凸起物可以改善边界层流动并提高速度。
四、结论边界层问题在工程领域中具有广泛的应用。
通过优化设计和处理方式，可以改善空气或水流动并降低阻力，从而提高飞行、行驶或行驶速度。
第6章非定常ABL之3
。。。
LLJ的成因：天气形势、地形等，与边界层内部 湍流共同作用的产物。Kraus等(1985)总结出LLJ 有以下8种可能：
光雷达在SBL中经常观测到的分层气溶胶结构
SBL中污染物浓度扩散呈“夹层饼”形状
二、SBL的强迫因子
作用于SBL的强迫力：
辐射
传导
湍流
下沉和平流
局地地形坡度
1.辐射冷却
（夜间SBL没有太阳短波辐射）
只考虑长波辐射QI*
强烈的地面辐射冷却
大气中的辐射散度
t
辐射冷却
Q z
3.湍流
SBL中的湍流经常由机械作用（风切变）产生： 例如，地面摩擦作用、低空急流、斜坡地形
间歇性湍流(intermittence turbulence)：
在非湍流SBL中，由于动力强迫和缺少湍流混合，风切 变可以得到增强，以致可以激发出湍流，然而这种突发湍流 使热量和动量垂直混合，导致切变减弱，直至不能继续维持 湍流而消亡。在静止期间，又有可能由切变建立另一个突发 性湍流，这就形成了湍流间歇现象。
LLJ是一层很薄的快速运动气流，位于100-300m高度， 几千公里长，几百公里宽，最大风速10-20m/s。
LLJ影响边界层内部的湍流结构，有时激发雷暴等强烈 天气现象，给大气污染和航空航天等带来影响。
出现低空急流时的同研究者采用不同的标准：
湍流时间 (间歇因子) Fi 全部观测时间
三、SBL演变——强度和高度
1. SBL的强度 s
s 0 s
L01-边界层气象学
2、大气边界层在大气中的重要作用
（1）水汽通量 （2）感热通量 （3）摩擦消耗 （动量、动能汇区） 气象要素的输送 + 大气污染物的输送
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3、研究边界层的意义（重要性）
大气边界层研究与天气、气候、生态环境以及人类的生命和工程活动
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下垫面的作用: 表面加热和冷却的日循环引起热力稳定度的日变 化，从而影响湍流混合和动量交换过程，进而边界层中风的分布。
不稳定边界层结构及其流场 图象。（Wyngaard, 1990)
稳定边界层结构及其流场图象。 （Wyngaard, 1990)
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重点介绍大气边界层最基本的内容，包括大气边界层的特征，描述 大气边界层的主要数学物理工具，大气湍流理论，大气边界层的半 经验相似理论、数值模拟等。
参考书目： •杨长新译 Rolad B. Stull《边界层气象导论》 气象出版社1991 • Stull, R.B. 1988： An introduction to boundary layer meteorology Kluwer Academic Publishers • Garratt, J. R. 1992： The atmospheric boundary layer Cambridge University Press 赵 鸣等 《边界层气象学教程》 气象出版社 1991 蒋维楣等 《边界层气象学基础》 南京大学出版社 1994 赵 鸣 《大气边界层动力学》 气象出版社 2004
一个非定常边界层模式的设计
一个非定常边界层模式的设计
非定常边界层模式（Unsteady Boundary Layer Modeling, UBLM）是对复杂流动过程模拟
有效而受欢迎的工具，用于描述和可靠预测复杂流动中发生的湍流、离散操作等多种现象。
UBLM可用于真实工程环境中的模拟，以了解流体行为。
可以帮助设计分析、建模操作和
航空发动机性能测量，研究者还可以利用UBLM模型来开发新的流体动力学原理和计算技术。
UBLM的设计准则是研究流动的变量，包括活塞面的位置和气流动能，变量的分布，位置
梯度和压力变化，和在它们之间的关系。
首先，必须定义物理范围。
接下来，通过正确地
定义所有边界层变量以及其值，可以根据预定义变量和参数绘制可视化模型。
为了模拟实际的情况，UBLM可利用计算流体动力学（CFD）技术来指导流体的运动，反映真实情况。
学术和工业应用也表明，在运用UBLM模型时，需要考虑质量交换、流变分析、热传导及其他外部因素等流体性能参数，以及改变边界层流体的变量，以使模型能够更好地反映真实情况和更准确地预测未来发展趋势。
总之，UBLM能够准确描述复杂流动过程，预测不断变化的流动变量，研究者正利用其来
分析复杂的流体动力学问题，揭示诸如活塞面位置和气流动能等变量的分布。
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图6.6.2 对流边界层发展 不同时刻虚位温廓线
图6.6.1地面热通量与 对流边界层发展
5. 边界层通量的两个来源
“底通量”和“顶通量” ：一种来自地面， 是主要的；此外，边界层向上发展时，夹卷 作用使边界层以上的气层成为通量的源。
物理量在对流边界层中的廓线应同时考虑这 两种过程：
2. 低空急流成因
夜间LLJ的可能原因(Kraus, et al., 1985)：
- 天气尺度斜压性、倾斜地形引起的斜压性、 锋面斜压性，引起次地转风速LLJ； - 平流加速、绕山气流、海陆风、山谷风、惯 性振荡，引起超地转风速LLJ。
受地形影响的LLJ
梁捷宁, 张镭 等, 地球物理学报, 2014
不稳定边界层
不稳定边界层，又称混合层、热边界 层、对流边界层。随白天地面受热向上 发展，可高达2 km以上，物理属性趋于 均匀。
第六节 不稳定边界层的发展 第七节 混合层高度的变化
不稳定边界层
不稳定边界层结构
层：边界层底部5% ~ 10%； 混合层：中部35% ~ 80%； 夹卷层：顶部10% ~ 60%。 对流边界层之上是稳定层，稳定层底即为边界层顶。
惯性振荡 日落后，提供湍流切应力的大尺度湍涡消散， 原来边界层上部很快从白天的较强湍流状态下 解放出来，气流受力不平衡，在科氏力作用下 向右偏转并加速形成超地转风，表现为地表以 上几百米范围内垂直风廓线上的极大值。
(a)白天的受力平衡 (b)夜间超地转惯性振荡
与惯性振荡相联系的低空急流：风矢随时间变化
gb cwtgt cws c 对标量c， z w* zi
，若顶底通量符 号相同，则贡献相加，可造成大的梯度，如 湿度；反之，则梯度较小，如位温。
θ′ (℃)
图6.6.12 热对流柱
z (km)
3. 夹卷层
夹卷层是对流边界层的最上层，其间有自 由大气夹卷下来的空气和混合层发展上来 的热泡。
其定义是：湍流热通量
w v为负的区域。
图6.6.13 上部稳 定层中(470m)飞 机观测的虚位温 和比湿
夹卷层上界为最高热泡顶的高度，下界定 义为约有10%的空气具有混合层特征的水 平面高度。 混合层顶的夹卷作用，导致水汽、污染物 等不像位温一样在垂直方向上均匀分布。
倾斜地形上的热成风振荡振荡
白天，地表热力差异形成附加地转风，叠加在背景地转 风上，附加地转风随高度增加而减小(即热成风) ；夜间， 底层热成风方向翻转，而剩余层热成风不变，使地转风 在低空出现峰值，形成LLJ。
倾斜地形上热成风强迫引起
的低空急流日振荡
3. 低空急流与边界层湍流
传统的与倒置的边界层湍流传输 Banta et al. (2003)
热泡贯穿对流 当热泡上升进入稳定层时，受到负的浮力 作用，上升速度减弱，最终下降回到混合 层。这个过程叫做贯穿对流。
由热泡从地表输送上去的水汽和污染物被 局限在混合层内。 贯穿对流造成自由大气的气块被夹卷混入 混合层，产生负热通量。
湍流热通量以 热柱形式从地 表向上传输， 热柱顶之间为 向下的热通量。
主讲人 张镭 教授
2015. 12.
第六章 边界层气象学中的非定常问题
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 温度的日变化 风的日变化 夜间大气边界层一般特征 夜间边界层的高度变化及廓线规律 低空急流 不稳定边界层的发展 混合层高度的变化 大气边界层的数值模拟和预报
第五节
第六节
1. 近地层
不稳定边界层的发展
温度超绝热递减率；
温度和风梯度大，温度和湿度廓线与地表 依赖关系强；
虚位温在近地层底层迅速降低，之上随高度下 降平稳； 湿度梯度随高度的变化趋势类似温度梯度； 强对流混合把较高动量的空气带到地表。
廓线形状为准定常，可用相似理论描述。
2. 混合层
强烈的湍流垂直混合使位温、湿度、风向 和风速等几乎不随高度变化。
1. 边界层低空急流
低空急流
1.1 低空急流（Low level jet, LLJ）
夜间稳定边界层中，常在几百米高度上存 在风速极大值区域，呈现一个较薄的快速 气流层，薄层内风速比其上下的风速大， 甚至超出地转风速很多。 LLJ强烈影响边界层内湍流结构，出现雷暴 等剧烈天气现象。影响大气污染物扩散， 影响航空安全……
自由大气 夹卷层
混合层
近地层
热泡/对流柱 对流混合层中上升空气形成的大空气柱
- 气柱内温度和垂直速度比周围空气高；
- 水平面上，对流柱占的面积约40%；
- 水平尺度约为混合层高度的1.3 ~ 1.4倍，清晨约 100 m，混合加深时可达1 ~ 2 km，甚至更高；
- 垂直高度约等于混合层厚度； - 水平间距约略超过其大小。
低空急流的发展过程与逆温的生、消有密 切关系。LLJ常与逆温相伴出现，LLJ高度 与逆温高度接近，并随着逆温消失而消失
图6.5.3 出现低空急流时的风、温廓线
1.2 低空急流的定义标准
目前没有严格而统一的标准，不同作者给 出多种不同的定义，关注的因素有： 高度低于某一水平； 风速大于指定标准，且比相邻高度上的 风速极小值大到一定程度； 风速超地转。 近年使用较多的是：大气低层1500 m以内 存在的风速极大值，且比它上面的风速极 小值大2 m/s以上。