湍流的这层意思体现在最早有记录的对水流图案的描述中。艺术大师达芬奇考虑到水围绕障碍物的旋转运动，将湍流描述为激烈和破坏性的力量。达芬奇的艺术灵感和科学思维并非源于空想，而是来自他对周围世界的观察。他仔细思考了鸟类飞翔的特点，观察了水面上波纹传播的规律，把兴趣的重点放在了“涡旋”上，常态下的流体是稳定的，但是当流体速度达到一定大小时，稳定性就会被破坏，形成“湍流”。“湍流”就是由一个个涡旋组成。

雷诺圆管湍流实验

之前的人们对湍流现象仅有初步的认识，但并不清楚湍流为何出现，湍流何时出现。1883年雷诺做了著名的圆管湍流实验：将水缓慢注入一个长而直、保持不受震动的圆玻璃管，同时在管的入口注入已染色的细流，他发现，当水流足够慢时，有颜色的细流保持一完整的直线，但当水的流速增大，并超过某一数值时，带颜色的细流断裂，与周围没有染色的水流混合，而且这种混合是不规则的。通过这个实验，雷诺定义了由层流转变为湍流的判断依据，即我们今天所熟知的雷诺数Re。

那些与湍流相关的量

湍流的产生过程

那湍流究竟是如何产生的呢？总体说来，湍流的能量源于机械运动做功和浮力做功，即机械剪切和热力因素是形成湍流的两个主要原因。

剪切湍流的形成过程是这样的：流体先以层流的形式稳定流动，当流体运动达到剪切的临界值时，流动变为动力不稳定，开始出现波动；随着波动振幅的增大，波浪破碎，开尔文—亥姆霍兹波形成，在每一个波中，由轻的流体卷在重的流体中，形成静力不稳定斑；静力不稳定和动力不稳定结合，波变成湍流；湍流遍布整个层，造成不同流体间的扩散或混合：混合使剪切减小，并使动力不稳定性消除。

层流和湍流对比图

生活中无处不在的湍流

湍流在我们生活中无处不在：不仅在空气中，还有水中，甚至在移动的人群中。湍流会减缓水的流速，如果没有湍流，乘小舟沿江河而下，船速可以达到恐怖的每小时2000千米，有湍流的话，船速仅有每小时一千米；湍流可以混合地球表面的热量、水汽、二氧化碳和污染物，使我们生态圈维持在宜居的环境中，如果没有湍流，地表空气会比现在热许多，当太阳升起时，你的脚和头会处于冰火两重天。

清流激湍

虽然有时湍流使飞机颠簸造成人的不适，也会因为其运作原理过于复杂难以建模和控制而造成了低效的过度设计，限制了未来科技的大量应用，但湍流对地球上生命的存在具有重要意义。

翱翔的飞鸟，起伏的波涛，翻涌的大气，袅袅的炊烟，人类一直试图寻找隐藏在背后的终极答案。终有一天，人类会通过努力撩起大自然的面纱，一睹其原本面容。

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编 辑：大气物理学第八组

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