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Blasius方程一个封闭解析解的介绍——半无限长平板层流边界层
热度 3 zhengjun324203 2017-6-27 13:03
怀着与同行和前辈交流的心情,我想在这里介绍一下本人在 Blasius 方程求解上面的一个工作,最近发表在 AIP Advances 上。虽然该期刊不是最顶尖的流体力学期刊,但算是国际上物理学领域比较正规的SCI期刊了。希望自己的工作能得到大家的认同,欢迎在课堂或教材中介绍或引用该文章的相关结果。 关于无限长平板层流边界层, Blasius( 布拉休斯 ) 在 1908 年提出了相似性解的求解方法,并且得到了经典的 Blasius 方程的边值问题。该方程虽然形式上极其简单,但是非线性却很强,而且方程的定义域是无限大的。 Blasius 对该方程采用了幂级数的解法,并且给出了该方程解析解的一个幂级数形式。但是很遗憾,这个解无法在无限远处被边界条件所封闭,因此该解虽然在形式上满足微分方程,但是却不能严格满足边界条件,所以本质上还是一个近似解。另一个遗憾是,这个幂级数解的收敛区间很小。这也是为什么从 1908 年以来,大多数流体力学教材或专著中很少引用该解的原因。当然,从实用层次上而言,该解在很大的速度范围内是准确的,然而这恰恰也是令人感到遗憾的地方。 为了在更大定义域范围内对 Blasius 方程进行考察,数值求解方法开始被采用。比较著名的一个求解结果是来自于 1938 年 L. Howarth 的工作。但是数值求解方法有一个很大的缺陷,那就是进行定义域的人为截断。也就是说将无限远处的边界条件改换为一个在足够远处的边界条件,从而将无限大定义域内的问题转变为一个有限大定义域内的问题。显而易见,这种替换产生的影响也会造成无限远处解的信息的流失。 正因为求解这个方程是如此地困难,大量的数学家、物理学家或流体力学工作者开始寻找近似的解析求解方法。也就是寻找在整个无限大定义域上满足边界条件,但是近似满足微分方程的近似解,这种努力一直持续到现在。每当有新的近似解析方法的提出,大都会被尝试用于求解 Blasius 方程,最主要的是摄动法。由于该方程非线性太强,所以摄动法的效果并不好。因此为了改善摄动法的求解效果,针对该方程本身提出了很多有意义的改进思路。特别是上海交通大学廖世俊教授提出了 同伦分析 的方法之后,国际上大量的同伦分析的工作开始应用于 Blasius 方程的近似求解,以表明新方法的有效性。虽然新方法的有效性得到了证明,但是完全封闭的解析解的真面目却依然扑朔迷离。 很有意思的是,在调研文献的过程中,我们也发现大数学家外尔 (H. Weyl) 在 1942 年也对 Blasius 方程这类问题进行过考察,并且应该是最早构造了逼近于方程解的某个函数序列。纯数学的研究,由于会用到很多数学技巧或数学知识,对于非数学专业的大多数人并不容易。但是在其论文中,也并没有提出形式上完全满足的解析解。 意大利科学家 Crocco 可能是最早对 Blasius 方程进行降阶求解的人,因此提出了一个 Crocco 变换。 Crocco 变换很少在一般的流体力学教材中提及,所以不是专业从事流体力学或专门从事边界层理论研究的人,可能都很少了解到有这个变换的存在。非常惭愧的是,本人之前也并不了解存在这个变换,直到写论文调研文献时才发现原来 1942 年左右时, Crocco 已经发现这个变换。 Crocco 变换的本质是利用粘性力作为未知函数,流体的速度作为自变量,从而可以将 Blasius 方程从 3 阶降到 2 阶。降阶后的方程依然是非线性的,但是定义域却已经从无限大变换到有限大。即便如此,其求解也是极其困难,迄今也尚未发现对降阶后的方程给出过完全的解析解。 由于 Blasius 方程这个问题过于经典,时间已经接近120年 ,而且又由于大量的近似结果与实验测量结果已经得到了吻合。所以从物理层次上而言, Blasius 方程所揭示的层流边界层的主要内容已经比较清晰。因此大多数的流体工作者已不再关注该方程的求解而是选择流体中其它相关的问题进行研究。 在学习和教学过程中,每当讲到 Blasius 方程这一章节时,我们常常都会告诉学生,这个方程没有解析解或者尚未找到解析解。但是这个方程形式上又是这么简单,所以这促使我怀着玩一玩的心态去求解这个问题。在对其他科学家的已有工作一无所知的情况下,我并没有任何希望认为自己能对这个问题获得什么有价值的结果。所以在 2015 年下学期,在备课的阶段,怀着有趣的心态去对这个方程进行不同方法的变换。最自然的思想是能想到能把它降阶,但是我之前并不知道有 Crocco 变换的存在。所以在最初的一个月,毫无所得。于是开始进行微分变换的尝试,引入一些新的变量,所以大概在第三个月时,找到了一个变换方法 —— 但是后来在文献调研时,才发现这个变换方法其实和 Crocco 变换是异曲同工的,只是两者的系数不同。所以当我看到 Crocco 变换时,感觉还有点失落,觉得自己的工作突然变得毫无价值。于是就打算随便写点东西,算是凑个文章数,投给一个会议。文章中只说自己找到了一个方法对 Blasius 方程能进行降阶,而且也初步提出了幂级数解析求解的思路,并给出了一个 2 阶近似解。想不到摘要被录用后,经过将近十个月,接近在 2016 年年底了,在会议开始前,组委会剔除了我这篇文章;那时候感觉很糗——因为一般很少文章会被会议所拒绝,主要还是因为 Blasius 这个问题实在太经典了,没什么新的结果 在这之前,我以为这个幂级数解中的系数是不可求的。但是经过一个多月后,再去看这个解,发现可以通过很简单的运算就能把系数全求出来。可是求出来之后,又能怎样呢 ? 毕竟完全封闭的解析解也只是揭示速度分布而已,而这之前,数值方法、实验、近似解析法都能给出来。在朋友的建议下,我决定看看完全解析解能不能给出一些前人无法得到的东西。于是在 2017 年初,开始尝试将它应用于边界层厚度表达式的求解以及边界层内速度分布的高阶特征。写完文章后,投给 JFM , Phys. Rev. Fluids. 等,基本上初审时编辑都建议改投到数学方面的期刊上。于是我投给了美国数学学会 (AMS) 下的期刊,初审时说建议投给专业期刊。于是我又投给国际应用力学,初审时被拒,理由是不合适。百般挫折下,不知如何是好。虽然所获得的这个解析解是参数化的形式,但毕竟是第一个在无限大空间上全局封闭和收敛的解析解,难道就此让它埋没或投给一个不知名的期刊发表了事吗?想想心里还是有点不是那么舒服。 于是考虑将这个解析解用于解决一些当前国际上与层流边界层相关的比较新的问题,从而获得一些数值法和近似解析法无法获得的结果。于是尝试将它应用于等温平板边界层内温度分布的解析表达以及边界层控制方面的工作。意想不到的是,这个解析解,虽然形式上并不完美,但是却能够在这些问题上得到一些前人研究无法实现的工作。这是比较令人欣喜的。于是又考虑进一步修改文章,充实内容,投给了 Phys. Fluids (PoF). 经过四十几天的审稿,终于等到了审稿结果。三个审稿人,都是建议修改后可以发表,只要同意他们的修改要求。其中第二个和第三个审稿人的评价都非常高,尤其是第三个审稿人说我的工作是 significant contribution ( 重要贡献 ) ,而第二个审稿人说的是 quite interesting ( 极其有趣 ) 。唯独第一个审稿人采用了一种刁难和居高临下的语气说:只要我把论文中所有关于 “ 封闭解析解 ” 的名词全部删掉,他可以同意在 PoF 上表。无法想象的是,副主编说考虑到第一个也是最主要的审稿人的比较严格的意见,说我的论文不能在所有的标准上满足 PoF 的要求,因此不能给我一个好的最终消息。但在信中,他又说,我的论文是 Scientifically sound( 科学上很不错 ) ,所以他说如果我同意,只要 minor revision( 简单修改 ) 就可以在 AIP Advances 上直接发表。看到这个评审决定,个人还是觉得喜忧参半,也有点不服气 —— 毕竟 3 个审稿人都同意修改后发表,为什么不给个机会呢?查询了一下 AIP Advances ,发现是 AIP (美国物理研究所)开办的 OA 期刊,是很正规的物理学研究期刊,被 SCI 索引已经 6 年。看了这个期刊上不少论文,发现有不少工作也挺新颖,再搜索一下对这个期刊的评价还是不错的。又与同事讨论,觉得尽快发表还是有必要的。于是决定同意在 AIP Advances 上发表。文章被编辑排版后有几个序号索引上的小错误,不过无伤大雅。这篇论文虽然发表的期刊并不是物理学或流体力学领域顶尖的期刊,但是这篇论文是本人独立开展教学和科研并且独立撰写后在国际主流物理学期刊上发表的第 2 篇 SCI 论文,也算是对自己教学和科研能力的一点点肯定吧,希望它能起到抛砖引玉的效果。 在论文中本人提出了 Blasius 方程在整个定义域上封闭的解析解,但是这个解需要用两个表达式来表达,即未知函数和自变量的函数关系是参数化的形式。所以这个解的形式和习惯上认为的解析解有点出入。习惯上认为一个解析解中,未知函数和自变量的函数关系应该由一个表达式建立。但是我们回过头来想一想,其实并不是任何函数都可以用一个表达式来表达的,有很多参数化形式的函数并不能通过消去参变量而改写成一个表达式。所以一个非线性的微分方程,如果不能找到一个表达式来表达的解,我们为什么不退一步选择用几个表达式表达其解呢?期待本文的工作,能给同行带来一定的作用和启发。欢迎批评指正。 论文地址:http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4985741 PublishedPaper.pdf
个人分类: 流体力学|9965 次阅读|12 个评论
谈谈边界层发卡涡的形成,溅射和回扫发生的条件?
热度 1 yangxintie1 2014-7-6 17:48
一个杆子扭啊扭,先起波纹后起结,何时属于大变形?要看关心的主流。 一层流动走呀走,壁面变成剪切流,剪切就是漩涡条,行为如同扭细轴。 牛顿流体不承力,如何扭翘也会有?变形还有残余留,行为已经变非牛。 涡丝露头遇外层,越走拉的越细长,如同旋舞突收身,转动强度突增强。 强旋涡丝稳不住,越细越要如丝扭,一边打结边伸长,叉积方向弹旋舞。 大涡模拟结果好。可惜转捩算不了,附面层底的图像。溅射回扫老对不上, 一是频谱不一样,另是强度不等量,三是交换的动量,佔空比和湍流斑形状, 这些细节对不上,如此小时间尺度内,高度剪拉变形状,N S方程生迷茫。 特别边界层底层,处于高剪切情况,同构关系变样,非牛顿流体登上场, 驰豫积累加沵散,大变形需要新套装,可惜科学进展慢,固体大变形也少算。 更不见算麻花面,计算和分析弃欧拉,拉格郎日请到家,粘弹问题不分家。 转捩新模型很繁琐,希望一番新探索,若有一起来讨论,掸灰让座捧香茗 在转捩的小尺度下,NS方程是否能够还能支持理论的分析,是否在现有理论不能解决的现象时需要引入拉格朗日方法,以便把小尺度下非牛顿流体的变形积累耗散考虑进去?单位雷诺数的影响可能是开启转捩秘密大门的一把钥匙,如果谁有这方面的信息请和我联系,我们一起切磋。 我的信箱 QQ, 1185824765@qq.com yangx@nwpu.edu.cn
个人分类: 非线性数理方法|5503 次阅读|4 个评论
《边界层理论讲义》郭永怀
ustcpress 2012-4-17 09:00
《边界层理论讲义》郭永怀
出版日期:2008年9月 出版社:中国科学技术大学出版社 书号(ISBN):978-7-312-02276-0 正文页码:168页 定价:48.00元(全两册,函套精装) 编辑邮箱: edit@ustc.edu.cn (欢迎来索要目录、样章的PDF) 当当网购书地址: http://product.dangdang.com/product.aspx?product_id=20364753 【 内容简介 】 郭永怀先生为中国科学技术大学近代力学系第一届学生讲授边界层理论所著的《边界层理论讲义》,经徐书轩和尹协远教授精心校订后,即将在庆祝中国科学技术大学成立 50 周年和纪念郭永怀先生牺牲 40 周年之际付印出版了。这是一件十分值得庆贺的事。郭永怀先生是我国著名的力学和应用数学家,在流体力学和边界层理论方面有极深的造诣和重要的贡献。他又是一位热心的教育家。他和钱学森先生共同创建了中国科学技术大学近代力学系,积极倡导要在加强基础科学教育的同时把同学们带到学科的前沿。《边界层理论讲义》十分鲜明地体现了这种精神,在回顾流体力学基本方程和详细讲述低速边界层基本理论之后,紧接着便讲授低速湍流边界层和高速层流与湍流边界层理论,把同学们直接带进高速飞行面临的前沿科学领域。 “ 讲义 ” 还体现了郭永怀先生一贯的严谨和精炼的作风和求实的科学精神。在短短的一百多页中,郭先生严密地论证和推导了边界层方程,讲述了湍流的基本特点及其在边界层方程式中的体现,介绍了基本的解法和典型解以及近似解法,指出了它们的适用范围。就其涉及内容的广度和深度而言, “ 讲义 " 已经超出教材的范围而成为一本学习和随时参考的专著了。 “ 讲义 ” 虽然著于四十余年前,但即使在计算技术高度发展的今天,仍不失其作为重要著作的价值。
个人分类: 院士著述|4715 次阅读|0 个评论
对于纳维-斯托克斯方程解的性质的一种猜想
武际可 2010-11-20 09:58
对于纳维 - 斯托克斯方程解的性质的一种猜想
个人分类: 科学杂谈|10823 次阅读|6 个评论
磁重联漫谈(14):“离子撕裂模”迷雾
等离子体科学 2010-7-14 12:45
说起无碰撞撕裂模的线性理论,有一段历史值得一提。 前面说到 无碰撞撕裂模线性理论,即 LPV 理论,在发表时主要针对在地球磁尾等离子体中的应用:将地磁尾磁场简化成东西方向流动的越尾电流片( cross tail current )南北两侧、地 - 日连线方向上的反向磁场。而磁重联则被看成是零磁面( neutral plane )附近非磁化效应引起的。但是实际上地磁尾是地磁偶极场在 night side 被太阳风拉伸的结果也就是说,无论拉伸得多厉害,在所谓的零磁面 neutral plane 上总是存在的一个垂直该面、南北方向的非零 normal 磁场分量。因此电子在 neutral plane 上仍然是被磁化的。而且由于在这种情况下磁力线变成一组抛物线型的曲线,磁扰动引起形变在 neutral plane 上表现为磁力线的疏密变化;而环绕磁力线的电子的密度也被压缩和拉伸。这时,磁场扰动能量被转换成压缩电子密度的能量,撕裂模被稳定。 这种磁场分布的稳定性的本质,是原来被 零磁面分隔成两个不同拓扑区域的 磁场结构,因 neutral plane 上的 normal 分量联系起来。因此,扰动磁场只是使得磁力线变得疏密相间,但不再引起磁场拓扑的变化。 可是这样简单的物理图像当时却没有人想到! 70 年代对这样的磁场位形下的撕裂模稳定性的解释是:电子压缩效应( Electron Compressibility )。因此有人提出:虽然电子被磁化了,但是如果 normal 磁场分量足够小,离子仍然是非磁化的,有可能提供不稳定性的自由能。 于是就有人来看色散关系: 1/ g =1/G e +1/G i 。 这里 g 是撕裂模的增长率, G e 是电子的贡献,是 G i 离子的贡献;分别同各自的质量的平方根成正比。所以 G e G i , 1/G e 1/G i 。近似有 1/ g =1/G e , g =G e = g e 。 人们就把色散关系改写成: 1/ g =1/ g e +1/ g i 。 这样写不是不可以,只要记住 g e 和 g i 的物理意义,把它们看成代表不同粒子贡献的参数。可是有人就误解(或者说偷换)了这一概念:既然电子对不稳定性没有贡献了,就简单地把它的那一项拿掉。于是把电子磁化、离子非磁化条件下的色散关系写成: 1/ g =1/ g i ,则 g = g i 。 并把这一新的不稳定模式称为离子撕裂模。因为 g i 比 g e 至少大 40 多倍,所以离子撕裂模反而变成了更快增长的不稳定性!! 尽管 1986 年, LPV 三人中的 Pellat 和另一位法国物理学家 Lembege 指出了 离子撕裂模 的错误 。但是没有打中要害。致使这一理论竟然统治了磁尾磁重联研究 20 年之久!到 90 年代初期甚至有所谓 ideal tearing 的理论出现。可见当时对磁重联的物理图像的理解上的混乱。 其实,问题的本质在于我们前面说过的:扰动磁场只是使得磁力线变得疏密相间(即激发沿 neutral plane 传播的磁声波),但不再引起磁场拓扑的变化。 陈省身先生说得好:几何物理是一家。对物理过程的拓扑直观,往往能够更清楚地看到其物理本质。对磁重联研究来说尤其如此。
个人分类: 学海无涯|6306 次阅读|3 个评论
磁重联漫谈(10):有理面上的边界层
等离子体科学 2010-2-3 20:06
前面讲到有理面上的奇异性,提到:正因为这个薄层非常薄,给我们处理问题反而带来极大的方便:第一,我们可以把轮胎形状的有理面沿着赤道平面切一刀,再沿任一环向角切一刀,展开成一个平面;第二,我们可以利用边界层理论来处理这一问题。这两点是研究像磁重联这样在大尺度下存在奇异性的数学物理问题的关键。 其中第一点将复杂的三维问题变成了一维问题! 把有理面展开成一个平面,则在两个延伸方向(大环和小环方向)上都有周期条件。做相应的 Fourier 展开之后,在每个特定的有理面上只有一个 Fourier 分量。且对应的微分符号变成代数符号。这样三维的微分方程在两个方向上代数化了,只剩下小环径向的变化。在物理上,这是由于有理面上的奇异性导致垂直有理面的特征尺度远远小于其它两个周期条件方向的尺度。 而第二点则为解决这样的问题提供了常用的方法。 我们知道,对连续介质中没有外部驱动时物理量 F 随时间演化的典型数学物理方程基本上都是带有耗散项的抛物型方程,比如 dF/dt = DF/Dt + vDF/Dx = l D 2 F/Dx 2 这里 D 表示偏微分。方程的右边是所谓耗散项, l 是耗散系数。如果 F 是磁通(磁矢势的某一分量),则这个方程就是欧姆定律:左边是电场(包括 v x B 部分), l 是电阻, D 2 F/Dx 2 是电流。等等。如果耗散很弱,耗散系数 l 非常非常小,则我们可以做理想情况下的近似,令 l = 0 。物理上就是,如果系统的特征尺度是 L ,那么,对应耗散( dissipation )的特征时间显然就是 T D =L 2 / l 。 l 趋于 0 对应于物理量 F 被 dissipated 的时间趋于无穷大。所以近似有 dF/dt = 0 ,或者说, F 基本保持不变。 这样的近似在绝大多数区间是适用的。但是如果区间里存在着奇异性,问题就来了:这个奇异性存在于一个很小的区间,引进一个非常小的特征尺度 D 。则其对应的特征时间尺度 t D = D 2 / l 成为一个可以和系统特征运动时间 T 0 相比拟的有限值!相应的,在这个奇异面上,方程右边的耗散项就不能忽略。这时,理想近似下得到的所谓奇异面因为这个耗散效应的存在变成了奇异层。显然这个奇异层的厚度 D ~ ( l T 0 ) 1/2 (我们又看到了 Sweet-Parker 模型的 1/2 方关系)。 这样一类在 奇异层外部可以用理想近似求解,但是在其内部必须考虑耗散项的数学物理问题,我们称之为边界层问题 ( Boundary Layer Problems )。求解的方法称为边界层方法。
个人分类: 学海无涯|5299 次阅读|1 个评论

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