多尺度涡

一个湍涡的发展历程

初识湍涡

湍涡又称涡团、涡旋，是湍流运动的流体元。其流动方向不同于流体总的流动方向，而整个湍流运动又是它所包含的各个湍涡运动的总合。湍涡引起的能量和物质输送的量级比由分子扩散引起的输送量级要大得多。动力和热力因子的作用都可导致湍涡的产生。在大气边界层内，湍涡对空气中能量和物质的垂直混合、扩散具有极重要的意义。

它在实际大气中的尺度分布非常宽,可从厘米级的小尺度湍涡到上千千米天气尺度的气旋、反气旋系统以及西风带上层的罗斯贝波。海洋中形成湍涡的原因很多，包括风对海面的吹拂与沿岸的涌升流等等。

湍涡的多尺度结构

在湍流的发展过程中，湍涡尺度不仅变幅宽，而且是随时间从大尺度涡到小尺度涡不断演变的，这种尺度演变有可能是渐变的，也有可能是突变的。

湍流的能量串级理论表明：大尺度涡通过湍动剪切从时均流动中获取能量，然后再通过粘性耗散和色散过程，这些大尺度涡不断分裂成不同小尺度涡，并在涡体的分裂破碎过程中将能量逐级传给更小尺度涡，直至达到粘性耗散为止。

小尺度涡

中尺度涡

大尺度涡

具体分为三个阶段：

(1)大尺度涡缓慢衰变期，在这个时期大尺度涡主要受到对流和扩散的作用，耗散作用较弱，处于大尺度涡相互诱导和卷绕的过程，衰变比较缓慢；

(2)中等尺度涡的快速演变期，实验中可看到只有在大尺度涡无法维持以致快速破碎时，才会出现中等尺度涡的演变过程，整个过程中所占时段最短，属于快速衰变期；

(3)小尺度涡耗散期，属于湍流衰变后期。在这个时期，小尺度涡主要受到粘性扩散和耗散作用，对流作用很弱，属于小尺度涡缓慢耗散期，整个过程所占时段较长，湍涡的能量主要在这一级尺度涡中被粘性耗散掉。

生活中的湍涡

梵高于1889年创作的《星空》传世名作（多尺度涡）

大气中的湍涡

飞机的尾迹湍涡

列车的湍涡

一幅幅优美的图形，一环环严谨的推导，一次次精妙的计算，数学之美，无处不在。细细品味，乐在其中。