2025年大學《大氣科學》專業(yè)題庫——空氣動力學特性及其應用研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.在大氣邊界層中，隨著高度增加，風速通常（）。A.持續(xù)增大B.持續(xù)減小C.先增大后減小D.先減小后增大2.描述流體（包括空氣）中各點速度隨時間變化的不規(guī)則性，主要是指（）。A.層流B.湍流C.邊界層D.雷諾數(shù)3.伯努利原理主要描述了在理想流體穩(wěn)定流動中，以下哪個量沿流線的變化關系？（）A.流體密度B.流體壓強C.流體溫度D.流體粘度4.對于大氣中的小尺度運動，通常哪個參數(shù)更為重要？（）A.馬赫數(shù)B.雷諾數(shù)C.馮·卡門常數(shù)D.普朗特數(shù)5.以下哪種現(xiàn)象是大氣邊界層湍流混合的主要機制？（）A.分子擴散B.對流C.湍流脈動D.輻射傳輸6.在穩(wěn)定大氣條件下，近地面風速隨高度增加而增大，這通常發(fā)生在（）。A.A型穩(wěn)定度B.B型穩(wěn)定度C.C型穩(wěn)定度D.D型穩(wěn)定度7.風能資源的評估中，風功率密度與風速的幾次方成正比？（）A.1B.2C.3D.48.空氣密度隨高度增加而減小，這主要是由于（）。A.大氣壓力減小B.大氣溫度降低C.大氣濕度變化D.以上都是9.機場運行中，風切變是指（）。A.水平風速的突然變化B.垂直風速的突然變化C.風向的突然變化D.風速和風向的突然變化10.利用火箭發(fā)射進行科學研究時，空氣動力學特性主要影響（）。A.火箭推力B.火箭發(fā)射姿態(tài)C.火箭周圍的壓力分布D.以上都是二、填空題（每空2分，共20分）1.空氣動力學是研究______與______之間相互作用規(guī)律的科學。2.伯努利原理指出，在理想流體的穩(wěn)定流動中，流體的流速越大，其______就越小。3.層流是指流體分層流動，各層之間______的流動狀態(tài)；湍流是指流體流動混亂、______的流動狀態(tài)。4.大氣邊界層的高度通常取決于______和______。5.風速隨高度增加而增加的率，通常用______來描述。6.影響大氣中污染物垂直擴散的主要因素包括風速、______和大氣穩(wěn)定度。7.雷諾數(shù)是表征流體流動狀態(tài)的無量綱數(shù)，它取決于流體的______、特征長度和流速。8.在大氣科學中，馬赫數(shù)通常用于描述______相對于聲速的大小。9.混合長理論是解釋大氣邊界層中______交換的一種理論。10.空氣密度不僅隨高度變化，也受______、______等因素的影響。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述連續(xù)性方程在大氣運動中的物理意義。2.簡述影響大氣邊界層高度的主要因素。3.簡述風能資源評估中需要考慮的主要參數(shù)及其物理意義。4.簡述亂流對航空飛行可能產生的影響。四、計算題（每題10分，共20分）1.某地近地面風速為10m/s，大氣邊界層高度為1000m。如果風速隨高度呈線性增加，且地面摩擦速度為0.5m/s，求高度為500m處的風速和雷諾數(shù)。（假設空氣密度ρ=1.2kg/m3，空氣動力粘性系數(shù)μ=1.8×10??Pa·s）2.已知某穩(wěn)定大氣條件下，Pasquill穩(wěn)定度為C類，近地面風速為5m/s。求高度為50m處的混合長Lm和該高度處污染物垂直擴散參數(shù)σz。（可使用經驗公式：Lm≈0.4σz，且給出σz與風速和穩(wěn)定度的關系式）五、論述題（10分）結合你所學的空氣動力學知識，論述大氣邊界層中的湍流特性及其對城市環(huán)境（如熱島效應、污染物擴散、建筑通風等）產生的主要影響。試卷答案一、選擇題1.A2.B3.B4.B5.C6.D7.C8.D9.D10.D二、填空題1.流體；固體邊界2.壓強3.互不混合；不規(guī)則4.地面粗糙度；大氣穩(wěn)定度5.風速梯度6.大氣穩(wěn)定度7.密度8.氣流9.湍流熱量10.溫度；濕度三、簡答題1.連續(xù)性方程在大氣運動中的物理意義是質量守恒定律在流體力學中的體現(xiàn)。它指出，對于不可壓縮的流體（大氣通常近似為不可壓縮），在任意時刻，流入某個控制體積的流體質量等于流出該控制體積的流體質量，或者換句話說，單位時間內通過控制體積任意截面的流體質量流量保持不變。在可壓縮大氣中，則要求單位時間內通過控制體積的流體質量流量加上（或減去）該體積內流體密度的變化率保持為零。這反映了大氣運動中密度的變化與風速的空間梯度之間的關系。2.影響大氣邊界層高度的主要因素包括：(1)地面粗糙度：粗糙地表（如城市、森林）會抑制湍流發(fā)展，使邊界層高度降低；光滑地表（如海洋、荒漠）則有利于湍流發(fā)展，使邊界層高度升高。(2)大氣穩(wěn)定度：不穩(wěn)定大氣有利于對流發(fā)展和湍流混合，使邊界層高度增大；穩(wěn)定大氣則抑制垂直運動，使邊界層高度減小。(3)太陽輻射和地表加熱：白天日照強、地表受熱不均時，對流和湍流活躍，邊界層高度增長；夜間或陰天，邊界層則逐漸減小甚至消失，形成行星邊界層。(4)風速：風速大小也會影響湍流混合的效率，進而影響邊界層高度。3.風能資源評估中需要考慮的主要參數(shù)及其物理意義：(1)風速：風速是驅動風能的關鍵因素，風功率與風速的立方成正比。需要考慮風速的時序變化（如小時、日、年變化）和統(tǒng)計特征（如平均值、極大值、湍流強度）。(2)風能密度：單位體積空氣所具有的動能，是衡量風能豐富程度的直接指標，計算公式為P=1/2*ρ*v3，其中ρ為空氣密度，v為風速。(3)空氣密度：空氣密度影響風能密度，受溫度、氣壓（與海拔相關）和濕度影響。通常在標準大氣壓和溫度下進行計算，實際應用中需考慮其變化。(4)風向：風能利用裝置需要朝向主要來風方向，風向的穩(wěn)定性和變化頻率也影響實際可用能量。(5)地形地貌：山谷、海岸線等地形會顯著改變局部風速和風向，是評估時必須考慮的因素。(6)空氣密度剖面：隨高度變化的風速和密度分布直接影響風能的垂直分布和能量獲取。4.亂流對航空飛行可能產生的影響：(1)飛機顛簸：亂流導致飛機姿態(tài)和速度的突然、不規(guī)則變化，引起乘客和機組不適，甚至可能導致結構損傷。(2)增加燃油消耗：為維持預定高度和速度，飛機需要消耗更多能量來克服亂流造成的擾動。(3)影響飛行路徑和燃油效率：飛行員需要不斷調整飛機姿態(tài)和航向以應對亂流，這會增加飛行時間和燃油消耗。(4)限制飛機性能：在強亂流中，飛機可能無法達到最大飛行速度或爬升率，甚至可能接近失速速度。(5)影響起降安全：地面湍流（如風切變）對飛機的起飛和著陸安全構成嚴重威脅，可能導致跑道偏離、剎車距離增加或沖出跑道。(6)導航困難：亂流中的風速垂直切變可能干擾慣性導航系統(tǒng)或GPS信號的接收。四、計算題1.解：(1)計算高度為500m處的風速：根據(jù)風速隨高度線性增加的假設，風速梯度G=(10m/s-0m/s)/(1000m-0m)=0.01m/s/m。則高度z=500m處的風速v=G*z=0.01m/s/m*500m=5m/s。(2)計算雷諾數(shù)Re：雷諾數(shù)定義式為Re=ρ*v*L/μ，其中L通常取摩擦長度z0，對于中性層結，z0≈κ*z*u*,其中κ為卡門常數(shù)（約0.4），u*為摩擦速度。題目給出摩擦速度u*=0.5m/s。因此，L≈0.4*500m*0.5m/s=100m。將L=z0=100m代入雷諾數(shù)公式：Re=1.2kg/m3*5m/s*100m/(1.8×10??Pa·s)≈6.67×10?。答：高度為500m處的風速為5m/s，雷諾數(shù)約為6.67×10?。2.解：(1)計算混合長Lm：根據(jù)題目，Lm≈0.4σz。需要先計算σz。對于PasquillC類穩(wěn)定度，通常使用σz=0.32*(H*u*)^0.5，其中H為混合高度，通常取邊界層高度，這里取H=1000m（與題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)計算垂直擴散參數(shù)σz：已在第一步計算得出，σz≈7.15m。答：高度為50m處的混合長Lm約為2.86m，垂直擴散參數(shù)σz約為7.15m。五、論述題大氣邊界層中的湍流特性對城市環(huán)境產生多方面的重要影響。首先，湍流是大氣邊界層中主要的混合機制。在城市中，由于建筑物、街道等人工地形的存在，以及城市熱島效應導致的熱力差異，邊界層內的湍流活動通常比鄉(xiāng)村地區(qū)更為活躍。這種活躍的湍流能夠有效地混合近地面的空氣，將污染物從排放源輸送到更廣闊的區(qū)域，從而影響城市空氣質量。具體來說，強烈的湍流可以增加污染物（如PM2.5、SO2、NOx）的垂直擴散能力，降低近地面的污染物濃度，改善空氣質量；但在某些條件下（如穩(wěn)定層結），湍流可能較弱，導致污染物在近地面積累，加劇空氣污染問題。其次，湍流直接影響城市的熱量交換。城市建筑密集，地表材質不同，導致城市內部存在復雜的熱力差異，產生城市熱島效應。湍流通過垂直混合，將暖空氣輸送到較高空，并將冷空氣輸送到近地面，從而調節(jié)城市內部的溫度分布。湍流強度越大，這種熱量交換越有效，對緩解城市熱島效應有一定作用。反之，弱的湍流則不利于熱量交換，可能加劇熱島效應。再者，湍流對城市交通運行有顯著影響。機場