湍流的规律

雷诺实验证实，对于粘滞流体，湍流的发生取决于流场的雷诺数Re =υ/（其中、υ 分别为流体的运动粘度和特征速度,为特征长度）。雷诺数为作用于流体上惯性力和粘性力的无量纲比值。当流体中发生扰动时，惯性力的作用是使扰动从主流中获取能量；而粘性力的作用则是使扰动受到阻尼。但大雷诺数只是湍流发生的必要条件。大气湍流的发生还须具备相应的动力学和热力学的条件。风速切变是扰动产生的动力因素，当风速切变足够大时，可使波动不稳定，形成湍流运动。温度分布不均匀，是影响大气湍流的热力因素。当温度的水平分布不均一，且斜压性不稳定时（见大气动力不稳定性），大气扰动较强，水平风速及其切变很大，这些因素都对湍流的生成和发展有利，晴空湍流经常发生在这种区域里。温度的铅直分布对大气湍流的影响，取决于大气静力稳定度。在自动对流不稳定的条件下，湍流的生成和发展很强烈。一般可用理查孙数(R)判别稳定度对湍流的作用：

[108-01]其中 为位温, 为重力加速度, /z和/z为位温和特征风速的铅直切变，1/?/z为大气铅直稳定度。理查孙数是浮力作功产生的湍流能量与雷诺应力作功产生的湍流能量的无量纲比值。在不稳定条件下，R<0,浮力作功，使湍流增强；在稳定条件下，R>0，湍流运动将反抗浮力作负功而消耗一部分湍流能量。当R数达到临界值时，湍流将完全受到抑制，转变为层流或波动。临界理查孙数大致在0.25～1之间,准确数值还需进一步用实验证实。R接近零时为中性大气，此时湍流得到发展或受抑制，还要考虑其他物理因子后才能断定。

流体在流动过程中受到障碍物的干扰、流体流动距离太大,一些不可避免的自扰逐渐叠加形成明显的湍流。风洞试验可以研究这个问题,要预测就需要了解流体流过的区域和即将进入的区域的结构。

湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。在湍流中的流体的各种物理参数,如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。从物理结构上说,可以把湍流看成是由各种不同尺度的涡旋叠合而成的流动,这些漩涡的大小及旋转轴的方向分布是随机的。

大尺度的涡旋主要是有流动的边界条件所决定,其尺寸可以与流场的大小相比拟,是引起低频脉动的原因；小尺度的涡旋主要是有粘性力所决定,其尺寸可能只有流场尺度的千分之一量级,是引起高频脉动的原因。大尺度的涡旋破裂后形成小尺度涡旋。

较小尺度的涡旋破裂后形成更小尺度的涡旋。因而在充分发展的湍流区域内,流涕涡旋的尺度可在相当宽的范围内连续地变化。大尺度的涡旋不断地从主流获得能量,通过涡旋间的相互作用,能量组建向小的涡旋传递。

最后由于流体粘性的作用,小尺度的涡旋不断消失,机械能就转化（或称为耗散）为流体的热能。同时,由于边界作用、扰动及速度梯度的作用,新的涡旋又不断产生,这就构成了湍流运动。

流体内部多尺度涡旋的随机运动构成了湍流的一个重要特点：物理量的脉动。 要注意的是,湍流运动尽管是流体微团的运动,但远未达到分子水平。无论湍流运动多么复杂,非稳态的N—S方程对于湍流的瞬时运动仍然是适用的。