窦华书:湍流的研究方向分支及代表人物

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湍流仍然是物理学、应用数学和流体力学学科的一个主要研究领域,100多年来,且一直代表流体力学的前沿研究方向,这是由于如果湍流问题解决了,就会解决一大片研究领域的问题。湍流是在流体力学学科所有方面具有共性的重要课题。
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比如,如果你是做超音速流动、飞行器设计、多相流动、传热、燃烧、叶轮机械、大气湍流、海洋湍流,天体物理,等方向的基础研究或技术研发的工作,对基本不可压缩流动的湍流还没有弄清楚,所做的基础或研发工作,有可能是不可靠的,仍有改进空间。如果把基本不可压缩流动的湍流的最新的更精确的研究成果(比如本文最后建议(2)里所讲的最新内容),应用和扩展到这些具体的领域,就会对研究课题得到更深刻的理解、能够更精确地改进设计和提高性能。2 Q! Z' J+ }2 l* D' c5 U
湍流的研究方向分支及主要代表人物,目前想到的部分如下:
6 F) t0 I1 K' @6 Z; f1. 湍流的统计力学:Taylor, von Karman, Kolmogorov, Obukhov, Monin, Yaglom, Heisenburg, Weizsacker, Lin CC, Chandrasekhar, Onsager, Liepmann, Batchelor, Townsend, Kraichnan, OM Phillips, Orszag, U Frisch, Sreenivasan.
' g- ~( g- B" c* m2. 湍流的非线性动力学:Landau, Hopf, Lorenz, Ruelle and Takens, Pomeau and Manneville, Feigenbaum, Smale, Eckhardt, G Haller.* w, N4 l" w3 y7 ~3 }  s9 x
3. 湍流的结构测量:Prandtl, von Karman, Kovasznay, Klebanoff, Liepmann, Corrsin, Kline, Brown and Roshko, Cantwell, Willmarth, Narasimha, Blackwelder, Brodkey, Tiederman, Wygnanski, Adrian, Kachanov, Comte-Bellot, Nishioka, Antonia, Hussain, Alfredsson, Gad-El-Hak, Jovanovic, Smits, Marusic, Mullin, J Katz, J Eaton, F Durst, Kitoh, JC Vassilicos.
7 `7 u% K2 ~$ Q4 E8 C, x4. 湍流的modelling:Boussinasq, Prandtl, von Karman, PY Chou, Leray, Launder and Spalding, Jones, Hanjalic, Menter, Orszag, Spalart, Rodi, Perry, Marusic.7 J6 e! N9 s$ A
5. 湍流的数值模拟:Richardson, Lumley, Smagorinsky, Lilly, Orszag, Kleiser, Jameson, M Gaster, Moin, Piomelli, MA Leschziner, John Kim, Moser, FT Smith, Trefethen, Jimenez, Meneveau, Henningson, SK Lele, C Bailly, WK George, Sirovich, Rist and Fasel, Durbin, Eckhardt, Kerswell, Orlandi, Pirozzoli, McKoen, Schlatter.9 f5 Q8 p2 ]$ c
6. 流动稳定性理论:Rayleigh, Orr-Sommerfeld, Heisenburg, Tollmien, Schlichting, Landau, Lin CC, S Chandrasekhar, Stuart, A Davey, Orszag, Herbert, Reshotko, Saric.5 j6 m& c3 a- |; c9 R
7. 湍流转捩研究:Reynolds, Dryden, Schubauer, Skramstad, Emmons, Klebanoff, Kovasznay, Patel, Tumin, Wygnanski, MV Morkovin, Saric, Reshotko, Mullin, Kachanov, Nishioka, Durst, Smits, Alfredsson, Johansson, JR Jovanovic, Hof.
) Y  }' m6 s4 z1 S1 ?8. 旋涡动力学:Jean-Jacques Moreau, Saffman, Moffat, Perry, Pullin, Hussain.) C1 P# Z5 _# T+ _1 V9 `
9. Navier-Stokes equation: Leray, Ladyzhenskaya, Serrin, Scheffer, Caffarelli, Temam, Foias, Doering, Constantin, Fefferman, JD Gibbon, E Titi.$ V: \& Z7 y+ Z0 }9 z
10.Taylor-Couette 流动: GI Taylor, S Chandrasekhar, RJ Donnelly, D Coles, HL Swinney, R Tagg, CD Andereck, O Dauchot, Wereley and Lueptow, Lohse.$ I  E( \2 u) G* V  q
11. 热对流湍流:Rayleigh, Bénard, Boussinasq, Sparrow, Busse, Swinney, SH Davis, Patterson, Lohse.
3 p5 ^0 b- X6 E1 i1 l, O4 J$ d- t12. 粘弹性湍流: Groisman and Steinberg, M Graham, McKinley, Tsinober, Kerswell.
0 w" L3 h$ O* [# L$ X% o: o13. 磁流体湍流:Hartmann, Chandrasekhar, Kraichnan, Moffat, Davidson, Tsinobar, Biskamp, Zikanov.
6 O  b" y- N2 ]; Z' x备注:其中 Rayleigh, Heisenburg, Landau, Chandrasekhar, Onsager为诺贝尔奖获得者(不是因为湍流研究获奖),他们都在湍流领域耕耘多年。Leray因NS方程弱解研究获得了1979年的沃尔夫数学奖;Kolmogorov 因数学统计理论(包括湍流)获得了1980年的沃尔夫数学奖;Ruelle因湍流混沌理论获得了2022年的www.52ocean.cn;Caffarelli因偏微分方程研究(包括NS方程部分强解)获得了2023年的挪威阿贝尔数学奖。另外,流体力学及湍流和统计力学相关的专家还获得了下列APS的奖项, Otto Laporte Award (1972-2003), Fluid Dynamics Prize (1979- ), Stanley Corrsin Award (2011- ), Lars Onsager Prize (1995- ), Leo P. Kadanoff Prize (2019- )。
. h8 U! m# Y( q& s对湍流的突出贡献(Personal opinion):
, q) D4 _+ i! i6 Z8 @1 c& K8 ?顶尖大师:Prandtl, Taylor, von Karman, Kolmogorov, Liepmann
$ q  K" L) L, S7 d' S  F9 {  r天才级专家: Leray, Corrsin, Orszag' y' t* w5 i/ W# J
杰出贡献专家: S. J. Kline: Z' R3 w, K1 |2 {- B
湍流贡献最突出大学: Gettinggen,Cambridge, CalTech, Stanford, JohnsHopkins+ C8 L2 B; V; p( }3 w" k& o4 ~9 b
几点建议:
- [0 d5 X9 ?9 N8 |9 p/ G(1)作者在上面列出的清单,实际上就是给出了每一个研究方向的一个文献综述的提纲。这些牛人都是在此方向的奠基人。虽然1970's 年以后的50年,湍流继续取得了很大进展,但仍然没有跳出前人给出的框架,没有实质性的进展。# I$ @& j8 c5 a7 @$ q: I/ Q
(2)建议读文献,就要读牛人的文献,毕竟他们的文章影响大,总体来说,创新性高;另一方面,牛人的文章引领课题方向发展(注意:研究史上也有被带偏的情况)。对于普通作者的文章也要读,只是建议要快速browsing。不过,对于普通作者的研究工作,如果有重大创新和独创之处,特别是颠覆性的创新成果,还是建议不要放过,比如 Dou, H.-S., Origin of Turbulence-Energy Gradient Theory, 2022, Springer (www.52ocean.cn)。s://10.1007/978-981-19-0087-7
$ c2 ]6 m7 p  W$ aDou (2021,2022) 基于能量梯度理论,依据NS方程,首次发现了一个光滑的流动演化出了NS方程的奇点(速度间断),并第一次从理论上精确地预测了湍流的产生,是由于这类奇点引起,与实验结果和DNS/LES模拟结果一致(burst)。这也是雷诺实验(1883)以后140年以来,唯一的一次,有人从理论上论证了(discovered)湍流是怎么产生的,这是一个从0到1的突破性的创新成果从此,揭开了湍流的秘密,破解了世界百年难题 [1-3,4-10]。6 Z$ Q4 E' {, L+ v
(3)如果想要做出有世界影响力的成果,选择研究课题,就要选有创新性的课题,能够解决主要问题的课题,以前别人没有做过的内容。当然这样的选择,面对的挑战和困难是很多的,如果获得成功,就要付出天价的努力,而且短期内不一定能出成果。如果选择一个普通的问题去做,就会容易得多,出论文也快,但是,创新性小, 解决的问题意义也小。尽管你付出了聪明才智和努力,对科学的推进和社会的贡献也是微不足道的,更不用说在人类科学史上能留下什么记录了。
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1. Dou, H.-S., Origin of Turbulence-Energy Gradient Theory, 2022, Springer.  www.52ocean.cn   (全书下载地址).& h) e& u, {0 e: R9 j
2. 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 # N  b2 G' C* d$ z: Z: P- V

$ `' h; c* ]3 S! A3. Dou, H.-S., No existence and smoothness of solution of the Navier-Stokes equation, Entropy, 2022, 24, 339. https://doi.org/10.3390/e24030339
4 i  }9 _  V6 Y: p4.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。/ N4 X; d5 P! r, L4 A% i  ]0 L% b
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www.52ocean.cn  或者  www.52ocean.cn; ^+ v5 j: a- y3 C& I. `, ?. g; O0 F
5. 窦华书,我是怎样创立能量梯度理论的?www.52ocean.cn
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) z7 W; o' g+ x6.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 8 r; _/ \) b" e. g, v3 w

1 [+ A5 y% J+ v% k# v) ~% Rwww.52ocean.cn2 w$ Z% Q1 _4 Q+ i; q" w! U+ a

5 O2 y7 V* N7 X8 T7. 窦华书,湍流是怎样产生的? 最新研究进展!www.52ocean.cnwww.52ocean.cn& S$ |9 U+ q7 j; H
! Y' L9 s* U. q' ~3 Q
8. 窦华书,一个力学公理的建立揭开了湍流的秘密。 www.52ocean.cn 或  www.52ocean.cn9 k. `: X0 k$ j5 a

/ P! v4 D9 _) W: m9. 窦华书: Navier-Stokes 方程可以描述湍流吗?  www.52ocean.cn 或者  www.52ocean.cn, b6 ]/ p5 F$ l* _0 I, D
10. 窦华书:湍流研究有哪些成功的理论成果? www.52ocean.cn  www.52ocean.cn " o) G/ o, B5 D. Y
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三观道人
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