分層流

自然界和工程實際中的水流經常發生水體的分層現象，例如海洋、湖泊及水庫等大體積水域水體受到陽光照射而形成的温度分層流；熱、核電廠廢熱排放產生的熱分層流；河口地區鹽水入侵導致的鹽度分層流；人類工業、農業及城市生活污水排入水體造成的濃度即密度分層流；進入湖泊(或水庫)的高含沙水流等。

所謂分層流，是指密度(不可壓縮流體)或熵(可壓縮流體)非均勻的流體運動。在水環境中，分層流可以根據密度分佈是否滿足穩定的要求，分為不穩定密度分層和穩定密度分層兩種情況。後者通常又分為上下層有密度差，中間有過渡層，垂向上密度連續分佈的連續分層流(也稱為部分分層流)和上下層密度不同且具有明顯密度交界面的二層流(如果穿過交界面的流速存在突變，則習慣上稱這種二層流為異重流)。分層流密度的不均勻性對水體流動有着顯著的影響，主要表現在：單位體積流體質量不同，均勻的壓強梯度產生不均勻的加速度；水平方向的密度梯度引起流體層內的旋轉運動；垂向的密度梯度在流體垂向摻混時引起動能與勢能的轉換等幾個方面。分層流的這些特性使其運動規律截然不同於均質流體，並更為複雜。 ^[2] 

分層流研究對國民經濟建設、人民生活和環境保護等方面有着十分重要的作用，例如在河口地區，海水上溯形成的鹽水楔惡化淡水水質，直接影響兩岸城市和工農業的用水取水；有時電廠温排放產生的温差分層流決定着電廠取排水口設計和佈置，是關係到能否實現電廠循環冷卻的關鍵，同時也決定了電廠的裝機容量與運營費用；具有密度差異的工業污水排放是否對下游生活取水口產生影響，直接關係到人民的健康與生命安全；利用異重流把高濃度渾水排泄出水庫以延長水庫壽命，以及採取各種措施減少大型水利樞紐上下游引航道的異重流淤積等等。開展分層流温差剪切分層流運動特性試驗與數值模擬研究，深入對分層流運動機理的認識，不僅可以掌握污染物質在水環境的輸運規律，為環境工程、市政工程、能源建設、水利工程及生態保護等諸多領域當中的相關問題提供技術依據，而且對其他一些學科，如化工、海洋、航運、冶金等也起到十分重要的作用。 ^[2] 

在生產實際應用的推動下，人們在很早以前就進行了分層流運動規律的研究。早在19世紀中葉，Helmholtz和Kelvin就曾先後對異重流交界面穩定性做過分析。不久之後Boussinesq研究了密度變化對流體運動所產生的效應，指出在許多實際問題裏，當密度變化和温度變化引起的其他參數的變化幅度不是很大時，對於流體運動的基本控制方程，除重力項必需考慮密度變化外，其餘各項都可不考慮密度的變化，這就是著名的Boussinesq近似。這幾位學者的工作開創了分層流研究的先河，併為以後的研究奠定了理論基礎。在接下來的數十年裏，又有Jeffreys、Taylor、Keulegan、Miles、Yih(易家訓)、Turner、Thorpe和Schiller等人進行過比較深入的研究，例如：Jeffreys給出了風生表面重力波以及密度分層的失穩條件；Keulegan主要研究異重流交界面的摻混、穩定以及內部孤波；易家訓着重於連續分層流的穩定與內波；Turner在分層流界面摻混方面做了許多研究；Schiller通過水槽試驗推導了分層流垂向熱擴散係數的表達式等等，對分層流研究的發展起了十分重要的作用。20世紀70年代，首屆國際分層流大會在蘇聯召開，標誌各國對分層流問題的研究達到一個新的高度。這次大會收錄了近百篇論文，基本反映了當時所取得的主要成果和最新進展。進入20世紀80年代以後，高性能計算機的出現又為分層流研究提供了強大的工具。在分層流的觀測、試驗和模擬中使用計算機是這段時期取得的明顯進展。 ^[2]