2025年大学《大气科学》专业题库- 空气动力学特性及其应用研究

2025年大学《大气科学》专业题库——空气动力学特性及其应用研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分）1.在大气边界层中，随着高度增加，风速通常（）。A.持续增大B.持续减小C.先增大后减小D.先减小后增大2.描述流体（包括空气）中各点速度随时间变化的不规则性，主要是指（）。A.层流B.湍流C.边界层D.雷诺数3.伯努利原理主要描述了在理想流体稳定流动中，以下哪个量沿流线的变化关系？（）A.流体密度B.流体压强C.流体温度D.流体粘度4.对于大气中的小尺度运动，通常哪个参数更为重要？（）A.马赫数B.雷诺数C.冯·卡门常数D.普朗特数5.以下哪种现象是大气边界层湍流混合的主要机制？（）A.分子扩散B.对流C.湍流脉动D.辐射传输6.在稳定大气条件下，近地面风速随高度增加而增大，这通常发生在（）。A.A型稳定度B.B型稳定度C.C型稳定度D.D型稳定度7.风能资源的评估中，风功率密度与风速的几次方成正比？（）A.1B.2C.3D.48.空气密度随高度增加而减小，这主要是由于（）。A.大气压力减小B.大气温度降低C.大气湿度变化D.以上都是9.机场运行中，风切变是指（）。A.水平风速的突然变化B.垂直风速的突然变化C.风向的突然变化D.风速和风向的突然变化10.利用火箭发射进行科学研究时，空气动力学特性主要影响（）。A.火箭推力B.火箭发射姿态C.火箭周围的压力分布D.以上都是二、填空题（每空2分，共20分）1.空气动力学是研究______与______之间相互作用规律的科学。2.伯努利原理指出，在理想流体的稳定流动中，流体的流速越大，其______就越小。3.层流是指流体分层流动，各层之间______的流动状态；湍流是指流体流动混乱、______的流动状态。4.大气边界层的高度通常取决于______和______。5.风速随高度增加而增加的率，通常用______来描述。6.影响大气中污染物垂直扩散的主要因素包括风速、______和大气稳定度。7.雷诺数是表征流体流动状态的无量纲数，它取决于流体的______、特征长度和流速。8.在大气科学中，马赫数通常用于描述______相对于声速的大小。9.混合长理论是解释大气边界层中______交换的一种理论。10.空气密度不仅随高度变化，也受______、______等因素的影响。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述连续性方程在大气运动中的物理意义。2.简述影响大气边界层高度的主要因素。3.简述风能资源评估中需要考虑的主要参数及其物理意义。4.简述乱流对航空飞行可能产生的影响。四、计算题（每题10分，共20分）1.某地近地面风速为10m/s，大气边界层高度为1000m。如果风速随高度呈线性增加，且地面摩擦速度为0.5m/s，求高度为500m处的风速和雷诺数。（假设空气密度ρ=1.2kg/m³，空气动力粘性系数μ=1.8×10⁻⁵Pa·s）2.已知某稳定大气条件下，Pasquill稳定度为C类，近地面风速为5m/s。求高度为50m处的混合长Lm和该高度处污染物垂直扩散参数σz。（可使用经验公式：Lm≈0.4σz，且给出σz与风速和稳定度的关系式）五、论述题（10分）结合你所学的空气动力学知识，论述大气边界层中的湍流特性及其对城市环境（如热岛效应、污染物扩散、建筑通风等）产生的主要影响。试卷答案一、选择题1.A2.B3.B4.B5.C6.D7.C8.D9.D10.D二、填空题1.流体；固体边界2.压强3.互不混合；不规则4.地面粗糙度；大气稳定度5.风速梯度6.大气稳定度7.密度8.气流9.湍流热量10.温度；湿度三、简答题1.连续性方程在大气运动中的物理意义是质量守恒定律在流体力学中的体现。它指出，对于不可压缩的流体（大气通常近似为不可压缩），在任意时刻，流入某个控制体积的流体质量等于流出该控制体积的流体质量，或者换句话说，单位时间内通过控制体积任意截面的流体质量流量保持不变。在可压缩大气中，则要求单位时间内通过控制体积的流体质量流量加上（或减去）该体积内流体密度的变化率保持为零。这反映了大气运动中密度的变化与风速的空间梯度之间的关系。2.影响大气边界层高度的主要因素包括：(1)地面粗糙度：粗糙地表（如城市、森林）会抑制湍流发展，使边界层高度降低；光滑地表（如海洋、荒漠）则有利于湍流发展，使边界层高度升高。(2)大气稳定度：不稳定大气有利于对流发展和湍流混合，使边界层高度增大；稳定大气则抑制垂直运动，使边界层高度减小。(3)太阳辐射和地表加热：白天日照强、地表受热不均时，对流和湍流活跃，边界层高度增长；夜间或阴天，边界层则逐渐减小甚至消失，形成行星边界层。(4)风速：风速大小也会影响湍流混合的效率，进而影响边界层高度。3.风能资源评估中需要考虑的主要参数及其物理意义：(1)风速：风速是驱动风能的关键因素，风功率与风速的立方成正比。需要考虑风速的时序变化（如小时、日、年变化）和统计特征（如平均值、极大值、湍流强度）。(2)风能密度：单位体积空气所具有的动能，是衡量风能丰富程度的直接指标，计算公式为P=1/2*ρ*v³，其中ρ为空气密度，v为风速。(3)空气密度：空气密度影响风能密度，受温度、气压（与海拔相关）和湿度影响。通常在标准大气压和温度下进行计算，实际应用中需考虑其变化。(4)风向：风能利用装置需要朝向主要来风方向，风向的稳定性和变化频率也影响实际可用能量。(5)地形地貌：山谷、海岸线等地形会显著改变局部风速和风向，是评估时必须考虑的因素。(6)空气密度剖面：随高度变化的风速和密度分布直接影响风能的垂直分布和能量获取。4.乱流对航空飞行可能产生的影响：(1)飞机颠簸：乱流导致飞机姿态和速度的突然、不规则变化，引起乘客和机组不适，甚至可能导致结构损伤。(2)增加燃油消耗：为维持预定高度和速度，飞机需要消耗更多能量来克服乱流造成的扰动。(3)影响飞行路径和燃油效率：飞行员需要不断调整飞机姿态和航向以应对乱流，这会增加飞行时间和燃油消耗。(4)限制飞机性能：在强乱流中，飞机可能无法达到最大飞行速度或爬升率，甚至可能接近失速速度。(5)影响起降安全：地面湍流（如风切变）对飞机的起飞和着陆安全构成严重威胁，可能导致跑道偏离、刹车距离增加或冲出跑道。(6)导航困难：乱流中的风速垂直切变可能干扰惯性导航系统或GPS信号的接收。四、计算题1.解：(1)计算高度为500m处的风速：根据风速随高度线性增加的假设，风速梯度G=(10m/s-0m/s)/(1000m-0m)=0.01m/s/m。则高度z=500m处的风速v=G*z=0.01m/s/m*500m=5m/s。(2)计算雷诺数Re：雷诺数定义式为Re=ρ*v*L/μ，其中L通常取摩擦长度z0，对于中性层结，z0≈κ*z*u*,其中κ为卡门常数（约0.4），u*为摩擦速度。题目给出摩擦速度u*=0.5m/s。因此，L≈0.4*500m*0.5m/s=100m。将L=z0=100m代入雷诺数公式：Re=1.2kg/m³*5m/s*100m/(1.8×10⁻⁵Pa·s)≈6.67×10⁶。答：高度为500m处的风速为5m/s，雷诺数约为6.67×10⁶。2.解：(1)计算混合长Lm：根据题目，Lm≈0.4σz。需要先计算σz。对于PasquillC类稳定度，通常使用σz=0.32*(H*u*)^0.5，其中H为混合高度，通常取边界层高度，这里取H=1000m（与题1相同），u*=0.5m/s。σz=0.32*(1000m*0.5m/s)^0.5=0.32*(500m/s)^0.5≈0.32*22.36m≈7.15m。Lm≈0.4*7.15m≈2.86m。(2)计算垂直扩散参数σz：已在第一步计算得出，σz≈7.15m。答：高度为50m处的混合长Lm约为2.86m，垂直扩散参数σz约为7.15m。五、论述题大气边界层中的湍流特性对城市环境产生多方面的重要影响。首先，湍流是大气边界层中主要的混合机制。在城市中，由于建筑物、街道等人工地形的存在，以及城市热岛效应导致的热力差异，边界层内的湍流活动通常比乡村地区更为活跃。这种活跃的湍流能够有效地混合近地面的空气，将污染物从排放源输送到更广阔的区域，从而影响城市空气质量。具体来说，强烈的湍流可以增加污染物（如PM2.5、SO2、NOx）的垂直扩散能力，降低近地面的污染物浓度，改善空气质量；但在某些条件下（如稳定层结），湍流可能较弱，导致污染物在近地面积累，加剧空气污染问题。其次，湍流直接影响城市的热量交换。城市建筑密集，地表材质不同，导致城市内部存在复杂的热力差异，产生城市热岛效应。湍流通过垂直混合，将暖空气输送到较高空，并将冷空气输送到近地面，从而调节城市内部的温度分布。湍流强度越大，这种热量交换越有效，对缓解城市热岛效应有一定作用。反之，弱的湍流则不利于热量交换，可能加剧热岛效应。再者，湍流对城市交通运行有显著影响。机场