作為在抗日戰(zhàn)爭爆發(fā)之際回到祖國懷抱的周培源，其愛國熱情是高漲的。在西南聯(lián)大任教時期，他抱著科學(xué)家應(yīng)為反戰(zhàn)服務(wù)，以科學(xué)拯救祖國危亡的志向，毅然轉(zhuǎn)向流體力學(xué)方面的研究。并為此在當(dāng)時交通不暢的情況下，在敵機狂轟濫炸的危境下，周培源第三度赴美進行此方面的研究。

作為我國唯一曾在愛因斯坦身邊長期從事相對論研究的科學(xué)家周培源，主要以研究理論物理學(xué)為重點。早在周培源首次執(zhí)清華大學(xué)教鞭后，曾利用一年的休假時間，赴美國普林斯頓高級研究院從事理論物理研究，參加了由愛因斯坦主持的廣義相對論高級研討班，成為“12個半懂得相對論的人”之一，并在科研和人格方面均受到愛因斯坦的深刻影響。

在討論班，關(guān)于周培源和愛因斯坦的交往中有這樣一個只問不答的“對話”：當(dāng)對相對論頗有研究的周培源將埋藏在自己心中的疑慮連同自己的看法，滔滔不絕地向愛氏陳述出來時，愛氏只是默默地聽著。問畢，愛因斯坦思考良久，始終未做出答復(fù)，這也成了周培源心中相當(dāng)長時期內(nèi)的一段空白。而為了給這片空白繪出些許色彩，周培源經(jīng)過一番“窮經(jīng)皓首”的上下求索后，于50歲后的上世紀(jì)70年代末才求得正解，而此年正好是愛因斯坦誕辰一百周年之際。

回國之后，周培源本來打算繼續(xù)從事相對論的研究工作，但抗戰(zhàn)的現(xiàn)實改變了他的初衷。

在回憶中，周培源曾對自己研究方向轉(zhuǎn)變做過簡單說明：“當(dāng)時我認為相對論不能直接為反戰(zhàn)服務(wù)。作為一個科學(xué)家，大敵當(dāng)前，必須以科學(xué)挽救祖國，所以我選擇了流體力學(xué)?！痹谒磥?，流體力學(xué)遠比理論物理中關(guān)于相對論的研究在軍事中的作用更加直接。周培源的這一研究方向的轉(zhuǎn)變似乎可以為五四時期對“賽先生”（Science：科學(xué)）救國的熱情做注腳。

周培源對流體力學(xué)的研究是勤奮的，甚至到了無情的地步。周培源經(jīng)常對他的女兒們說：“我并不聰明，但十分勤奮。中國有名俗話，以勤補拙，我就是這樣做的?！痹谖髂下?lián)大的時候，為了湍流研究（流體力學(xué)分支），周培源整日把自己關(guān)在書房中，為了全身心地投入研究而不受影響，他還與自己的好友陳岱孫、李繼侗等約定好：你們來就來走就走，恕我不接待應(yīng)酬。

就是在這種近乎不近人情的研究中，周培源發(fā)表了一篇關(guān)于湍流的論文，該論文建立了普通湍流理論，奠定了湍流模式理論的基礎(chǔ)，周培源也因此被公認為湍流模式理論的奠基人。

1943年，為了爭取參加美國組織的戰(zhàn)時科學(xué)研究和更深入地開展湍流研究，打敗日本法西斯，報效祖國，周培源利用在西南聯(lián)大的休假，再次前往美國。

隨后，他應(yīng)邀參加了美國戰(zhàn)時科學(xué)研究與發(fā)展局魚雷空投入水的科研項目，實現(xiàn)了以科學(xué)為反法西斯斗爭服務(wù)的目的。二戰(zhàn)結(jié)束后，美國政府力邀周培源留下繼續(xù)從事軍事科學(xué)研究，但周培源沒有被美國的優(yōu)厚待遇吸引，他想著身后千瘡百孔的祖國，希望繼續(xù)用自己的科學(xué)知識服務(wù)祖國，報效祖國。

作為優(yōu)秀的科學(xué)家，周培源是美國政府想要極力籠絡(luò)的對象，為了讓他為美國服務(wù)，他們多次主動邀請他加入美國國籍，最終都被心系祖國的周培源拒絕。1943年，當(dāng)周培源一家剛剛踏上美國的國土，美國移民局就發(fā)出正式邀請，答應(yīng)給予周培源所有家人永久居留權(quán)，周培源對此一笑了之。二戰(zhàn)結(jié)束后，為了挽留周培源留下繼續(xù)參與軍事科學(xué)研究，美國再次邀請他加入美國國籍，周培源明確向他們表示“不做美國公民”。

在西南聯(lián)大到抗戰(zhàn)結(jié)束這段時期，周培源始終堅持科學(xué)為抗戰(zhàn)服務(wù)，科學(xué)為反法西斯斗爭服務(wù)，這是他在科學(xué)上孜孜以求的現(xiàn)實目的，也是他不斷前進的不竭動力，更是這位始終心系祖國的物理學(xué)家一顆赤子之心的真實寫照。