窦华书:湍流为什么一定必须是三维的?

[复制链接]

) S% g" P" _5 n9 Y: b                               
登录/注册后可看大图
! U) V% Z) |9 }4 R( ^3 K
, X0 ?5 j) {3 |9 X& I
                               
登录/注册后可看大图

8 X/ V: k. Z0 c2 G7 ^2 Y' \
图1 湍流的动能随波数变化的能谱关系
3 `- u( H- p1 |5 `1 U
湍流的最主要的特征就是,湍流是一个随着时间变化(非定常)的旋涡运动,而且旋涡是从大到小多尺度分布的。6 U+ @5 f% y' j

' G- Q' a( `) G% a; I湍流之所以存在,是以漩涡的不断产生与耗散维持的。如果旋涡只耗散,不再继续产生,湍流就不能维持了。完全发展的湍流就是一个旋涡生成与破灭的动力学平衡状态。如果以这句话作为湍流的定义,比以前的许多湍流的定义似乎更生动、具体、形象,也更精确。1 \$ p( g( z+ W  U

: R* ~) V; M& @' c4 I根据能量梯度理论[1-4],在三维流动中,湍流的产生是依靠NS方程的奇点的产生来创造旋涡(湍流猝发),也即大涡,大涡改变了原来的流动速度分布,再进一步分形,形成新的更多的尺度更小的奇点(旋涡),奇点再生成新的下一级旋涡,这样循环下去,逐级形成一系列多尺度的旋涡。当最小的旋涡的尺度达到旋涡能量不能继续推动旋涡旋转,不能产生更小的奇点(旋涡),就被粘性耗散掉,这就是级串是怎么形成的过程和原理。这就是完全发展的湍流中形成的Richardson-Kolmogorov的湍流能量级串(即正级串,如图1)。 如果这个正级串的能量传递现象被破坏,或者被抑制,湍流就不能正常维持(由此我们可以想出进行湍流控制的idea,即抑制正级串维持可以延迟湍流)。
! `8 U6 c# u2 L2 B" A" ]' ]% @

$ u2 V/ D; ^) i根据能量梯度理论,在三维流动中,当大涡形成时,物理机理是主流速度的间断(生成负的spike),即流向压缩,由于散度为零,那么在壁面流动中,就必然存在竖直方向的速度升起和展向的旋涡拉伸。当然,在后半个周期中速度的涨落是相反的,即旋涡必须展向压缩。总之,www.52ocean.cn的能量输入是靠主流速度的间断,通过大涡生成而传递的。7 D# W/ y9 A' W5 N0 K5 I8 F$ ]7 b  i

9 d7 e8 b2 j: _+ f再次强调,是NS方程的奇点引起速度间断(湍流猝发),产生大涡,导致湍流。因而是湍流导致旋涡的拉伸,不是拉伸产生了湍流三维的层流流动中也存在漩涡拉伸,可是没有湍流。如果要分析某流动现象的物理机理,要看这个过程发生的能量是从哪里来的,就能找到原因。湍流的生成和演化机理,必然是那些湍流里面有,而层流里面没有的结构和现象及其背后因素在起作用。
0 ?2 o; B: e6 D; K- i$ K
/ E: |+ \: h3 b, u" l, [0 A
二维流动中,因为支配方程NS方程只允许旋涡的对流,不允许有旋涡的展向拉伸(虽然拉伸是湍流产生结果),这样就抑制了新的漩涡的生成,或者说湍流的生成(即抑制了能量的输入)。如果没有新的漩涡的生成,但是漩涡的耗散还是存在的。等到原来的旋涡被粘性耗散掉,没有新的旋涡补充进来,湍流就不能维持了。所以二维流动中不存在湍流。
1 ~$ V5 c& R- |4 n1 b

: s4 |' N( D; _# G% w! w; j上述是作者根据能量梯度理论,从流动物理上来解释,从湍流产生的过程来解释,湍流为什么一定是三维的,为什么二维流动里不存在湍流。诺贝尔奖获得者李政道教授1951年在Journal of Applied Physics上的一页的文章有理论论证,主要就是二维流动没有漩涡的展向拉伸,就没有湍流。
4 ]; q) B) }- k1 ^  c+ i# D
7 @* M! J% Y# y% W
对牛顿流体、正压流体、质量力有势的不可压缩流体的三维流动的涡量输运方程如下:8 a4 h! ~  P3 Y5 R( i  K4 J
# m+ P" f4 ?& J: G9 S

3 o$ u/ W6 E9 [' f- T) g5 c                               
登录/注册后可看大图

: j/ ^  f! p; }8 K0 a5 Q! k. i9 `右边第一项就是大家熟知的旋涡拉伸项。在三维湍流的转捩过程和完全发展的湍流中,这一项有正有负,但是总的结果是正的,这样就是使得涡量随时间增长。只有涡量增长了,层流才有可能转捩为湍流。在完全发展的湍流中,涡量的增长和涡量的耗散(右边第二项)达到动态平衡。
2 y( M9 Y: d7 y) I9 ?4 V; O* o对二维流动,旋涡拉伸项为零。这样,右边没有其它项可以使得涡量增长,湍流就不可能产生出来,所以二维流动里没有湍流(流体力学教材里讲的)。当我们翻看许多经典文献,有一些著名的湍流专家指出,旋涡拉伸是湍流产生的原因。非常多的数学家都是同意这种说法的(注:作者本人认为旋涡拉伸是湍流产生的结果)。1 P& Y- s5 Q6 g  j, V7 P% w

/ _- R4 \: i/ C& [另外,在二维流动中,拟涡能(涡量的平方)是一个无粘流动不变量。在二维粘性流动中,虽然拟涡能(由于粘性耗散)是随时间减小的。但是对流项促使它保持不变,即促使它不下降,也不让它增长。这样,拟涡能不增长,涡量就不会增长,湍流就不会产生。拟涡能引起二维湍流中的逆级串就是这个原理。0 A7 O; L" C/ B) X2 e

' u# _- O# p& |6 p6 `对大气动力学里面的非正压流体,右边有一项斜压项,就可以产生旋涡。对于密度分层的流体,右边有一项浮力项,也可以产生旋涡。这2种作用都会与粘性项相互作用而导致湍流。
8 e0 ]! i( c& c! ~8 m: I3 t

3 }; k5 K: K+ @2 r" C6 l8 d对于磁流体,右边多了一项www.52ocean.cn的夹角大小以及它的Hartmann number的大小。洛伦兹力可以产生旋涡,促进湍流生成;另一方面,它可以抑制旋涡生成,生成逆级联的湍流能谱,延迟湍流。+ N2 P0 _. h3 ?; D8 D( _# g
自然界里的流体流动都是三维的,没有二维的。所谓的二维流动只是理论上的二维流动,也即在三维流动中,限制流动在第三个方向有任何变化,从理论上看看流动性质会是什么样的。或者对某种特殊的流动问题(展向变化很小),对流动模型进行简化,可以近似看作二维流动。9 Q; C5 P0 D/ _6 T2 E+ [( l& j
' c, C7 j  E# l" Q
参考文献  D; |1 S5 K- L! z9 T) c

$ W( d, N. n1 |7 g1. Dou, H.-S., Origin of Turbulence-Energy Gradient Theory, 2022, Springer. www.52ocean.cn   (全书下载地址).2 H# X) d# h  `1 r. ]
2. Dou, H.-S., Energy Gradient Theory of Hydrodynamic Instability, The Third International Conference on Nonlinear Science, Singapore, 30 June-2 July, 2004. 链接如下: https://arxiv.org/abs/nlin/0501049
1 [: }# I1 q' _5 |4 Z& P- K
7 _. v. N0 E5 W& q3. Dou, H.-S., Singularity of Navier-Stokes equations leading to turbulence, Adv. Appl. Math. Mech., 13(3), 2021, 527-553. https://doi.org/10.4208/aamm.OA-2020-0063 ; https://arxiv.org/abs/1805.12053v10
. t# _( e& r  X$ O4. Dou, H.-S., No existence and smoothness of solution of the Navier-Stokes equation, Entropy, 2022, 24, 339. https://doi.org/10.3390/e24030339
  t9 O2 s$ @9 S4 U) ?9 {7 C% [. k5. 窦华书,我是怎样创立能量梯度理论的?www.52ocean.cn
/ Y& B  T! V9 H0 B! z6.新书访谈,专访《湍流的起源能量梯度理论》作者窦华书教授,Springer。www.52ocean.cn
4 E3 f7 }1 f1 E% P% u( u- Z. v2 `

! {6 {& l& D0 ^2 }: j7.窦华书教授成功破解了百年湍流难题,中国教育日报网。http://chinaedutech.com/dfjy/2022/1117/1327.html 或者 ' y, y+ K7 q: ?$ o3 R2 K6 d: b
www.52ocean.cn8 R2 m* s. Y# F7 c" V4 o4 t' f& n
+ w; ~: G3 h3 f7 C" g& Q
8.窦华书教授在纳维-斯托克斯方程问题上取得新进展,浙江理工大学官网新闻。9 b: Y0 A" s4 C
( c( d! X; A) Z3 ]3 q% G
www.52ocean.cn  或者  www.52ocean.cn0 H5 k% {8 b; x# ^1 H

. m  o" Q$ P: k+ ?& h6 d; u. L" s% [. s+ H6 ?
                    % [+ Z* h2 m4 l  g  a4 p; z6 M
* u* a% V) \( l+ N* v
                                        转载本文请联系原作者获取授权,同时请注明本文来自窦华书科学网博客。
回复

举报 使用道具

相关帖子

全部回帖
暂无回帖,快来参与回复吧
懒得打字?点击右侧快捷回复 【吾爱海洋论坛发文有奖】
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册
三观道人
活跃在4 天前
快速回复 返回顶部 返回列表