据说沉潜于湍流中的周教授，整日把自己关在一间阁楼上，甚至与陈岱孙、李继侗等一班好友达成默契：来去随意，不必应酬接待。很快，第一篇湍流论文发表于1940年的《物理学报》，但因战争阻隔，国外鲜知。
但这样的前沿课题却令西南联大的学生们兴奋，林家翘、胡宁、郭永怀、钱伟长等人都于此时追随他从事流体力学研究。此后随战事相持，庚款留学得以恢复，周教授又将他们一一送至国外深造，后来都成为各领风骚的卓然大家。
此前，他还开设了“弹道学”课程，钱三强夫人何泽慧和王大珩先生均受业于此时，他们均有志于“以物理捍卫国防”。
1941年珍珠港事件后，美国对日宣战，中美成为同盟国。1943年周先生利用第二次休假机会，携全家回到母校加州理工学院，全力于湍流研究。1945年《关于速度关联和湍流脉动方程的解》在美国发表，引起广泛的国际注意，湍流模式理论在此基础上诞生，此文被国际科学界视为经典，至今仍被利用。
由于周先生在湍流理论上成绩卓越，1945年美国政府邀请其参加战时科研工作，承担鱼雷空投入水冲击力的计算，他的研究取得成功，二战也告结束。后来美国人利用他的理论设计出水上飞机降落水面时的冲击力。
战争结束，战时科研机构宣告解散，周先生被留下写总结报告。报告成文后，他交给美方一份，自己留下一份。美国海军部立即将此件划为保密文件，直至1957年才解密。他手中那一份，解放后交给了人民海军。
后来美国海军军工试验站成立，希望周先生参加，待遇甚优。但它是政府科研机构，只有美国公民才可加入，外籍人员必须加入美籍。周先生此时反向美方“开”条件：第一，不入美籍；第二，只承担临时性任务；第三，可随时离开。后来，他在试验站工作半年多，离去了。
——这已经是他第二次“拒绝美国”了。3年前全家刚一入境，美方就给予永久居留权，连1岁多的女儿都收到了移民局的正式邀请入籍信，那时他只一笑了之。而此时的祖国大陆正处于风雨飘摇之中，那么贫弱，可是这个中国人，却对美国说出如此硬邦邦的话语。
中科院力学所前任所长郑哲敏先生就此分析认为，近代中国受帝国主义欺侮的历史，对知识分子心理上的强烈影响，是其他国家知识分子所没有的，爱国是这种心理的必然发展。背负民族苦难的十字架，可以说是这一代知识分子的历史命运。
中国力学学会石光漪 、金和两位女士认为，社会上有一种认知模式，好像抛头颅洒热血才是英雄是烈士，实际上这些优秀科学家的牺牲精神，并不比抛头颅洒热血容易。譬如周老的两个科研方面，都是没什么人敢进的最困难的领域，他想的是救国、攻坚，体现的是民族精神。
周培源先生的女儿周如苹说，常听父母、姐姐提起美国那段生活，如果当初不回来，全家肯定过着另一种生活，父亲在学术成就上有可能更辉煌。但他们压根儿就没想久留，譬如买来新床单，母亲会说，别打开，留着回国用！
后来，周培源先生在给好友、加州理工学院威兰德先生的信中有如下表述：“我总是感觉我们这些拿过政府奖学金、亦即人民的钱在国外受过教育的人在中国有个‘责任’要尽……”
1947年春，周培源先生携妻女回到祖国。一年后，解放大军兵临北平，清华园曾一时处于“真空”状态，清华师生组织起巡逻队护校。林徽因女士的爱子梁从诫回忆当时情境：“周老，这位当时已是享誉中外的物理学家，每晚掮着猎枪，领着学生彻夜在校园里巡逻。我母亲得知后笑着说：‘Tgpical周公！除了他，这还能是谁？！’”
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