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硬核科普 | 湍流是如何产生的?

科学有故事  · 公众号  ·  · 2019-10-09 18:56

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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:


  • 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;

  • 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;

  • 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,


  • 往小了说,可以让飞机飞得更平稳,气象预报更准确

  • 往大了说,甚至可以帮助天文学家模拟星系团的运动,解答各种天体形成的谜题


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。







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