正文
这么戏剧化的语言,我不太相信是一个 75 岁高龄的德国老人能想出来的,但不管怎样,这句话一定让你对湍流印象深刻。
而物理学家费曼在 1963 年的一篇文章中写道:
“最后,有一个物理问题在许多领域都很常见,它很古老,但却没有得到解决。它不是关于寻找新的基本粒子的问题,而是一百多年前遗留下来的东西。尽管在科学上这个问题很重要,但物理领域还没人能够对其给出令人满意的数学分析。这个问题就是对于湍流的解析。”
那么,我们先来了解一下
什么是湍流
。
这是流体力学需要解决的经典难题,流动的液体和气体对于物理学家来说,其实差别不大,都是流体。
现实生活中,湍流现象随处可见,在小溪沟中,你到处可见那些白花花的流水。在那些白花花的流水中,有无数个小漩涡在打转,很多时候,当一片流动的水遇到一个小小的障碍物后,就会变得白花花的,从层流变为湍流。
气体的湍流现象也随处可见,如果我们观察一炷香冒出的白烟,你会看到,白烟刚开始的时候是柱状的,上升到一定高度,烟就开始变得不稳定,形成了湍流。
实际上,从总体上来看,
地球的整个大气层就是一个湍流系统。
而木星表面那些斑点其实就是一个个的气体漩涡,整个木星表面也是一个典型的湍流系统。
物理学家们早就观察:
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当流速很小时,流体是分层流动,互不混合,称为层流,或称为片流;
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逐渐增加流速,流体的流线开始出现波状的摆动,摆动的频率及振幅随流速的增加而增加,此种流况称为过渡流;
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当流速增加到很大时,流线不再清楚可辨,流场中有许多小漩涡,称为湍流。
从各个尺度上看,湍流是一种时间上无序但统计上又存在一定规律的运动。
所谓的湍流问题,
就是对流体的整个过程进行数学建模,
从而使得人类能够准确地知道湍流的成因以及预测它的走向,通俗地讲就是:如果给定初始条件,我们是否能算出湍流是怎么发生的、何时发生、发生的规模有多大、何时结束等等。
人类对湍流问题的研究已经持续了有 200 年,
它已经成为了经典物理学中一个著名的大坑
,不知道有多少青年才俊一头扎进了这个坑中,再也没有爬出来,抱憾终身。
而这个问题的解决,
大约 200 年前,纳维-斯托克斯方程就已对流体的物理性质进行了理论的描述,这个方程也简称为 NS 方程。这个方程的表达方式我就不写了,普通人没必要搞那么精通。
我们只需要知道,
这个方程是非线性的
,所谓非线性就是因变量与自变量之间的关系不是线性关系,画出来的函数图不可能用直线来表达。非线性方程一般都很难求出精确解,只能求出近似解。
而这个 NS 方程就更难解了,在多数情况下,它的解是不稳定的,从而导致了流动的多次分叉,形成了复杂流态,
而方程的非线性又使各种不同尺度的流动耦合起来
,无法将它们分别研究。