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【科普】湍流扩散-1：湍流运动的难题
热度 2 Talky 2013-2-15 19:04
【科普】湍流扩散 -1 ：湍流运动的难题 在蒋迅 2013 年 1 月精彩的【数学都知道】博文下面，我注上了有数学 不 知道的问题，比如湍流流动。但也可能是 物理模型 出了问题。 湍流流动之所以没有办法得到理论解决，是因为其运动方程的“封闭性 (Closure) 问题”，是指湍流运动方程组含的方程个数永远少于需要求解的因变量的个数。 最简单的流体运动（不可压缩，线性粘性）可以用“纳维叶 - 斯托克斯方程”或“ N-S 方程”来描述，含一个连续性方程（质量守恒）和 x 、 y 、 z 三个方向上的运动方程（动量守恒）。自变量是（ t, x, y, z ），四个因变量是压强P , 速度的三个分量 u, v, w 。四个方程对应四个因变量， 方程是封闭的 ，原则上 “数学都知道” ，虽然难，但可以解。 但湍流不同了：湍流里因变量都是随机变动的，我们必须解出描述随机运动的各个平均量和描述脉动的高阶统计量。 通常通过时间平均（时均）的形式推导出平均流速的方程（雷诺方程），但新方程出现了 9 个二阶速度相关函数（每个随机速度都含脉动部分，三个速度方向各自的脉动部分可以分别自相关和互相相关，因此导致 9 个二阶速度相关函数），这些“相关函数”是新出现的未知因变量。因此：经过“时均”后，雷诺方程组也是四个方程（时均后的连续性方程形式基本相同，同时保持 x ， y ， z 三个方向的时均后的动量方程）。毛病是这三个方向的动量方程经过“时均”后各自出现 3 个“二阶速度相关函数”（ 3 3 共 9 个 ~ 是一个二阶张量）。因此雷诺方程组的因变量是 4 + 9 = 13 个！这样，从理论上说， 4 个方程是不能得到 13 个因变量的解答的！ 为了解决这个困难，前人试图通过构筑新的方程来求解“二阶速度相关函数”。但是，通过努力发现，构造的新方程里出现了更多的“三阶速度相关函数“，。。。依此后推，越是构建新的方程，出现越多新的高阶相关函数。。。永无休止。 数学中讨论无穷级数时，会讨论其是否收敛，收敛条件等。湍流问题中，即使是最理想的“平稳、均匀”不可压缩牛顿流体湍流，也无法讨论其相关函数到高阶时，是否逐步减小，及至收敛。 因此，从理论上说，湍流运动方程是不封闭的， “数学不知道” 湍流运动的解。 目前工程问题中关于湍流，都用“湍流模型”的办法。但这些模型并没有严格证明，而是粗糙、硬性的“斩断”近似（ Truncation ）。即不加证明地假设高阶项都不重要，只留下低阶项，并引进几个系数，因此把方程封闭。例如 k~ e 方程就是二阶近似方程。湍流问题太复杂，很少见到三阶或更高阶的湍流模型。实际工作中重要的是根据对象和条件的具体情况，选择模型、确定和检查系数。 说可能是 “ 物理模型 ” 问题 是指，常见湍流运动的雷诺方程和上面解释的困难，都立足于“欧拉形式”的 N-S 方程。拉格朗日形式的方程也许会有不同。 欧拉形式中，流动的物理量：流速、加速度、能量和压强等，均以固定空间坐标（ x, y, z ）来定义。符合实验室测定的实际情况，数学中场论来解决相关问题。 然而，欧拉形式的描述方法在物理意义上是有问题的：流动中的流速、加速度、能量、应力应变。。都是针对流体质点（微团）而言的。在空间点上测得的物理量是刚好在该时刻流经该点的流体质点所带有。下一时刻在同一空间点上测得的物理量，一般说来就不是前一时刻那个流体质点所带有了。 拉格朗日的描述方法类似于理论力学的刚体运动：假设充满流场的流体以可以标记的流体质点组成，然后追踪其带有的各个物理量。 所以说 流体的流动实质是拉格朗日的 ，但我们习惯用欧拉形式来描述它。在数学上，因此带来了 N-S 方程的非线性（运动方程的惯性项的出现，就是因为要考虑不同时刻流经同一空间点的流体质点不同，因此增加的“迁移”加速度）。 上世纪七十和八十年代曾有努力构建拉格朗日形式的 N-S 方程，研究湍流运动方程的封闭性问题。这时自变量就不再是（ t, x, y, z ），而是（ t, x, y, z; t0, X, Y, Z ），即在起始时刻 t0 占据空间点（ X, Y, Z ）的流体质点在当前时刻 t 和恰好出现在空间位置（ x, y, z ）时带有的物理量了。这种研究方式假设一开始充满流体的流体质点都能进行“标记”，以后又互不掺混（后面这个假设显然问题多多）。但是在流动过程中，追踪一个或几个流体质点也许可能，追踪一大堆就难了，因为标记的流体质点各有轨迹，这些轨迹应当会发生交叉等等问题。。。。可以想象，因此列出的方程和推导的公式是越来越复杂，直至难以忍受。。。 ~~ 目前还没有解决问题。 但是，追踪一个或两个流体质点的运动是有可能的，这就和湍流扩散问题联系起来了。层流和湍流都可以有扩散过程，但湍流扩散的强弱是由湍流的强度决定的，因此是 流动的性质 。分子扩散的强弱是由分子本身热运动的能力决定的，因此是 流体的性质 。分子扩散系数可以查手册找到，但湍流扩散系数必定和湍流动能 ~ 二阶速度相关函数相关联。 大气扩散中的 拉格朗日轨迹模式 和 欧拉网格模式 就对应上述流体力学中两种不同的描述方法。 湍流扩散的最早研究文章是 G. I. Taylor 的，发表于 1921 年。 G. I. Tayor 1921, Diffusion by continuous movements, Proceedings of London Mathematical Society , Series A, Vol 20, 196-212
个人分类: 湍流扩散|11293 次阅读|7 个评论
单模不稳定性、双模竞争、及湍流
热度 1 等离子体科学 2013-1-16 15:35
有朋友问：波、不稳定性、湍流之间是什么关系？这是个好问题，值得说说。 波就是一种变化的时空传播。物理现象简单说就是波现象和粒子现象。在量子理论图像下粒子运动也可以用波描述。 如果波的幅度在增长（即波的能量在增加），那么或者是外部能量的驱动、或者是内部自由能的激发。后者就是我们说的不稳定性。当然前者可以看成本征模式在外部驱动下的激发（所谓“外部势力干涉”），也是一种广义的不稳定过程。这里的“波”也可以是广义的，就是说其频率可能是纯虚数——没有随时间的振荡，只有单纯的增长。 这些都是线性过程。线性不稳定的波在非线性阶段会不会发展起来？这才是关键！ 如果是单一的波模式，就是说，有一个模式（波）的线性增长率比其它那些波（模式）都快得多，那么系统的自由能就会集中到这一渠道释放，从而发展成典型的非线性不稳定性——我们能看到的、会对系统造成根本性改变的不稳定性。 如果有两个模式都是快增长的，增长率都差不多，这两个模式就都发展起来。而且因为它们之间的相互作用，其非线性发展模式一定是此消彼长、此长彼消——即一个模式的“峰”对应另一个模式的“谷”。这就是典型的“双模竞争”。这种竞争也很“折腾”，但是系统整体的长时间平均还是“渐进”稳定的。 如果有很多模式，线性增长率都差不多，那么它们都会同时长起来。在非线性阶段，自由能就在它们之间近似地“均分”。因为总的自由能是有限的，所以它们都长不大。而且尽管整个过程也是此起彼伏，但是因为是一大批模式，所以一个特定时刻处于哪一种状态——峰值，1/2峰值、1/3峰值、。。。，95%峰值、85%峰值、。。。，“谷底”，1/2谷底、1/3谷底、。。。——的模式都有。所以平均起来就是统计上的“steady state”。这样的状态，如果模式的频率分布宽度与中心频率在同一数量级，就是典型的湍流状态。 所以，在存在自由能的时候，多模（越多越好）的状态反而是稳定的；双模还是很折腾；单模增长最不稳定。
个人分类: 学海无涯|5530 次阅读|2 个评论
求教：有关湍流在植物方面的应用，谢谢
热度 3 liuhaitao123 2012-11-3 00:05
我想知道，湍流的概念是否可以应用于水分在植物叶片中的传输？叶片背面是有气孔的，我觉得不稳定的气压会引起叶子内水分运输的湍流，文献发现叶片表面的气流是湍流。 物理方面知识匮乏，迷惑中
1229 次阅读|6 个评论
[转载]1982年诺贝尔物理学奖——相变理论
热度 1 xiehuasheng 2012-7-21 13:11
昨天翻郭奕玲沈慧君编著的《诺贝尔物理学奖1901-2010》，看到1982炸药奖K.G.Wilson工作的介绍，才知道重整化处理相变这么强大，似乎确实有望解决多尺度如湍流问题。转载一篇介绍文字。 ============================================================= 1982年诺贝尔物理学奖——相变理论 1982年诺贝尔物理学奖授予美国纽约州伊萨卡康奈尔大学的K.威耳逊（KennethG.Wilson，1936—），以表彰他对与相变有关的临界现象所作的理论贡献。 在日常生活中，也可从经典物理学中，我们知道，物质可以存在于不同的相中。我们还知道，如果改变压强或温度之类的参数，就会发生从某一相到另一相的转变。只要足够地加热，液体就会变成气体，也就是从液相转变为气相。金属达到一定的温度会熔化，永久磁体达到一定温度会失去磁性。这些只是几个关于相变的大家熟悉的简单例子。 物理学中相变的研究经历了很长的时间。人们对很多系统进行过研究。相变的特点往往是某些物理特性的数值发生突变，也有一些情况是变化比较平稳。例如，在临界点上液态和气态之间的相变，铁、镍、钴之类的金属从铁磁性转变为顺磁性，其变化过程就比较平稳。这些平稳的相变在临界点附近往往会出现一些典型的反常性。当接近临界温度时，有些量会超过极限值。这些反常性通常称为临界现象。当接近临界点时，往往会发生非常大的涨落。 19世纪末、20世纪初就开始对某些特殊系统的临界行为，例如液气之间的相变和铁磁性与顺磁性之间的转变作过定性描述。苏联物理学家朗道在1937年就发表了关于相变的普遍理论，他把早期理论所得结果作为特例纳入他的理论中。二极模型的热力学特性是经常讨论的课题，1968年获诺贝尔化学奖的昂塞格尔（L.Onsager）对此得出了精确解。这为临界现象的进一步认识奠定了基础。朗道理论和以前所有的理论在预言临界点附近的行为时几乎都得到完全一致的结论。然而，当人们对许多系统作了广泛而详细的研究之后，惊奇地发现临界行为和朗道理论的预言相差甚远。用各种不同的理论模型进行数值计算，也显示对朗道理论有很大偏离。美国康奈尔大学的费塞尔（M.E.Fisher）对实验数据的分析，起了指导作用。康奈尔大学另一位物理学家维丹（Widom）和苏联物理学家巴达辛斯基（A.Z.Patashinskii）、波克罗夫斯基（V.L.Pokrovski）以及芝加哥大学的卡达诺夫（L.P.Kadanoff），都在理论上作了重要贡献。卡达诺夫提出了非常重要的新思想，对以后的发展有很大的影响。然而他的理论无法对临界行为进行计算。 1971年K.威耳逊发表了两篇有重大影响的论文，明确而深入地解决了这个问题，随后的几年他又发表了一系列论文。K.威耳逊认识到，临界现象与物理学绝大多数其它现象不同的地方在于人们必须在相当宽广的不同长度尺度上与系统中的涨落打交道。在通常的情况下，人们对某一给定的现象只和某一给定的尺度打交道，比如无线电波、水波、可见光、原子核、基本粒子等等，这里每一个系统都以某一特定的尺度为特征，我们无需涉及范围宽广的尺度。除了大尺度的涨落可大到与整个系统的尺度同数量级之外，还有幅值更小的涨落，一直小到原子尺度。我们也许会有幅值为厘米量级的涨落，同时也会有幅值更小的涨落，一直小到厘米的百万分之一。所有这些涨落在临界点附近都是重要的。在进行理论描述时，要考虑到整个涨落谱。用直接方法作正面处理，即使有最快的计算机帮忙也无济于事。 K.威耳逊成功地找到了一种方法解决了这个问题，不是正面处理，而是把问题分解成一系列简单得多的问题，其中每一部分都是可以解决的。 K.威耳逊的理论是在理论物理学中所谓的 重正化群理论的基础上作了实质性的修改后建立的 。重正化群理论在50年代就得到发展，并且已经成功地运用到各种不同的问题上。 K.威耳逊关于临界现象的理论对临界点附近的行为作出了全面的理论描述。他还提出在数值上计算这些临界量的方法。他的分析证明，当足够趋近临界点时，系统的大多数变量都将成为多余的。临界现象基本上决定于两个数：系统的尺度和所谓的量级参数。量级参数在朗道的理论中就已引用。这是从极大的普遍性引出的物理结论。它表明，许多相互无关的不同系统，在临界点附近会显示相同的行为。我们可以举出如下的实例：液体、液态混合物、铁磁体和二元合金，都显示同样的临界特性。60年代以来的实验和理论工作都证明有这种形式的普遍性，但K.威耳逊的理论从基本原理上给出了一个有说服力的证明。计算所得的临界参数和实验结果相符得很好。 K.威耳逊是第一位物理学家为同时显现宽广的不同长度尺度的现象发展了普遍且可操作的方法。这个方法经过一些修改，也可以用在一些其它的重要而尚未解决的问题上。液体和气体中的湍流就是一个典型的例子。 在这一现象中出现了许多不同的长度尺度。在大气中可以找到从最小的尘埃旋涡到地球表面的飓风这样一些尺度的湍流。K.威耳逊的新思想在粒子物理学中也有应用。他把他的理论作些修改，成功地运用到粒子物理学的前沿问题，特别是夸克囚禁问题。K.威耳逊的理论方法代表了一种新的理论形式， 它可对相变的临界现象这一经典问题给出了完全的解答，不仅如此，看来它还有很大潜力可以用于解决其它一些重要、而直到今日还未解决的问题。 K.威耳逊1936年6月8日出生于美国马萨诸塞州的沃尔瑟姆（Waltham）。他的父亲是哈佛大学的化学教授。在上高中之前，就在父亲的帮助下学习物理和数学。他当时学的数学是微积分，而物理是采用微积分的。他从这时起就决心当一名物理学家。在上大学前，K.威耳逊就跟父亲学习符号逻辑。 他父亲还试图教他群论，但不太成功。 1952年，这时K.威耳逊才16岁，就进入哈佛大学主修数学，但同时也学了许多物理，几个暑假都参加课题组研究。他的研究生阶段在加州理工学院渡过，其中有两年是在核物理实验室里工作，并 跟随盖尔曼做博士论文 。 在加州理工学院K.威耳逊和物理系一位名叫马休斯（J.Mathews）的助教很谈得来，马休斯教他使用学院的计算机。 有一个暑假他参加通用原子能公司，从事等离子体工作。 第二年回到哈佛，当一名临时工作人员，然后再回到加州理工学院完成博士论文。当时哈佛的理论活动较少，于是K.威耳逊就去了MIT，以便利用那里的计算机做理论工作，在那里和MIT的理论组成员联系很多。 1962年K.威耳逊来到欧洲核子研究中心（CERN），参加肯德尔和布约肯的小组， 研究场论和粒子物理学，他的兴趣在于用重正化群方法来处理强相互作用的模型。 1963年9月K.威耳逊到康奈尔大学当助理教授，1965年受聘为副教授，1971年升教授，以后他就一直在康奈尔大学，除了几次休假和访问。有一次是去SLAC，有一次是去普林斯顿高等研究中心，又有一次是去加州理工学院当访问学者，还到IBM苏黎世实验室工作过一年。 1971年，他把重正化群的方法用于统计物理学中的临界现象的研究，建立起二级相变理论。 在这个理论中，准确地计算了低温下热容对温度的线性关系式中的系数。 K.威耳逊 最早从事的并不是统计力学，而是量子场论 。早在40年代末，贝特、施温格、朝永振一郎、费因曼、戴森（Dyson）等人发展了重正化理论。1953年彼德曼（Petermann）等人发表过论文，第一次讨论了重正化群。K.威耳逊的工作就建立在这些基础之上。 K.威耳逊是怎样从量子场论走向统计力学的呢？ 1954年盖尔曼和劳（F.Low）发表了题为“小距离的量子电动力学”一文，比卡达诺夫对K.威耳逊更早地起了激励作用。 1956年K.威耳逊进入加州理工学院研究生院，当时大多数优秀的学生都不愿意从事基本粒子的理论研究，但K.威耳逊与众不同，反而积极参加。 他主动地到通用原子能公司工作了一个多月，为罗森布鲁斯（M.Rosenbluth）做等离子体物理研究。 他向盖尔曼要题目来做。盖尔曼首先建议他在弱相互作用领域内研究相互作用较强的K介子。几个月后，K.威耳逊又请求盖尔曼给一个直接与强相互作用有关的题目，因为他觉得这类作用很值得做。盖尔曼建议他用劳氏方程研究K介子-核子散射，只要取一个介子的近似。K.威耳逊对求解劳氏方程的方法不是很满意，于是就反复探讨用不同的方法求解更简单的π介子-核子散射的情况。尽管一个介子的近似只是对低能有效，K.威耳逊还研究了高能限，并进而研究了重正化群的问题。 1960年K.威耳逊向加州理工学院交出博士论文。这时劳氏方程已被S矩阵理论所取代，K.威耳逊发明了（应该说是重新发明）“弦近似”方法，又研究了多生成理论，甚至倒过来做固定源介子理论的强耦合近似。 到了1963年，K.威耳逊已经清楚地看到，他应该做的课题就是把量子场论用于强相互作用。他撇开了S矩阵理论，因为S矩阵理论的方程即使能够写出来，仍然过于复杂，不像是一个理论，而固定源介子理论可以作弱耦合近似，又有强耦合近似，因此他相信量子场论是可以搞清楚的。 在做固定源介子理论时，K.威耳逊运用微扰论取得了一些成果。他第一次发现重正化群方法的自然基础。 在这以后，K.威耳逊努力思考的问题是“什么是场论”？他认识到必须考虑自由度的作用。他还发现如果能够把正确公式化了的场理论用计算机求解，只要有足够计算能力的计算机，就可以得到任意的精确度。在60年代里他手头没有这种计算机，因此只能做一些简单的特例。 1966年K.威耳逊在康奈尔大学出席一次讲演会，听到了维丹所作的标度不变状态方程的报告。他认为维丹的方程缺乏理论基础，当时他还不了解使维丹的工作成为重要发展的有关临界现象的背景。但是他受到维丹报告的启发，认识到应当把重正化群的思想运用到临界现象。1966年夏，他就在阿斯品（Aspen）的会议上与一些固体物理学家讨论，人们建议他看看苏联学者卡达诺夫的预印本。就这样，K.威耳逊第一次接触到了卡达诺夫的工作。 卡达诺夫的思想是这样的：在临界点附近，应该想到一大群磁矩。例如：每群中有2×2×2个原子，组合成一个单独的有效磁矩。而这些有效磁矩对其最近的邻居有简单的相互作用，就像简单的模型一样。其唯一变化是系统的有效温度和外磁场与原来的系统不一样。更一般地说，有效力矩是作用在间距比原来原子间距大L倍的晶格上。卡达诺夫的想法是：会有L相关的温度变量T L 和场变量 h L ，而T 2L 和h 2L 会是T L 和h L 的解析函数。而在临界点上，T L 和h L 具有与L无关的固定值。根据这一假设，卡达诺夫推导出了维丹等人的标度无关定律。 于是K.威耳逊把各种场论的思想运用到晶格和临界现象上。他知道欧几里得的量子场论和用于统计力学模型的“变换矩阵”方法，并且发现这两个不同领域的方法极为类似。他了解场论要是相对论性的，则相应的统计力学理论必须具有很大的相关长度，即接近于临界点。于是他想到把卡达诺夫、维丹等人的标度无关理论用于量子场论的含义。再考虑到瑟林（Thirring）模型解答的标度不变性和马克（Mack）等人对量子场论标度不变性的讨论，K.威耳逊认识到标度不变量至少可以用于小距离上。但场算符应与临界现象中非同寻常的指数一样具有非同寻常的标度量纲。K.威耳逊在这些标度无关性的思想上重新构筑了短距离膨胀理论，很快发表了结果。尽管这一结果与基本的实验思想似乎不大相符，但还是引起了人们的注意。他的理论方法很快被理论家用于分析各种临界现象。从研究临界现象发展起来的一系列新的概念与理论方法，现在不仅对连续相变的理论，而且也对凝聚态物理与统计物理的许多分支，以及量子场论和粒子物理学都有深刻的影响。因此1982年诺贝尔物理学奖授给了K.威耳逊。 K.威耳逊1975年遇到布朗小姐，1982年两人结婚。布朗小姐在康奈尔计算机公司工作，他们两人合作，在计算机软件方面做了很多工作，在这以后，K.威耳逊以很大精力投身于大规模运用计算机作科学计算的研究之中。 ============================================================= 以上，转载自百度文库（ http://wenku.baidu.com/view/9aac21126c175f0e7cd13721.html ）。 早期（1980s），章扬忠在Austin做论文时，就是把重整化用到plasma，后来的工作也一直与此有关，如，2011年的一份讲义，《Tokamak湍流理论》，SWIP（ http://ifts.zju.edu.cn/forum/viewtopic.php?f=10t=579 ）。P.H.Diamond的湍流理论中就有不少重整化的影子。最近，F. Zonca的工作也在考虑用重整化来处理EPM的非线性。尽管，重整化引入plasma也三十年左右了，尚未完全解决问题，但看来希望也还是蛮大的。 Wilson竟然也做过等离子体（尽管只几个月），在Rosenbluth手下干过活。再看其其他经历，也十分丰富。游学、访学，挺不错的一种方式嘛，有助于打开思路。 另，此Wilson就是量子场论（教材）中大名鼎鼎的那个Wilson。 终于为自己找到该认真研究量子场论及重整化的理由了。 xiehuasheng 2012-07-21 13:01 原文：http://hi.baidu.com/hsxie/blog/item/1ccfebf5c8422b03730eec45.html
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羽流、对流与湍流
热度 3 fpe 2012-7-1 06:44
羽流、对流与湍流 看了寻正对我的反驳，简直不敢相信自己的眼睛。如果羽流是因为形状像羽毛，我国的庄子说羽流是野马，那么羽流是否像野马呢？羽流之所以被称为羽流，是因为这种流动形式容易破碎（即在重力场中自动湍流化），所以看上去像一簇羽毛在飞，这一点，和庄子的羽流观察，像远处的野马在跑，是一致的。 羽流，是一种浮力差造成的重力流（ Gravity Currents ），是浮力带来的流动（ Buoyancy-induced flow ）。寻正举例的对流，恰好是一种浮力产生的流动，所以说其为羽流，也是不错的。但是对流不是羽流，前者可能是压力流，后者必须是浮力流，这是本质性的区别。 羽流研究领域，主要有两种：消防工程和环境工程。前者研究浮力对燃烧产物的散布作用，后者研究不同温度和不同浓度对污染物排放的散布作用，两者的研究对象是一致的，可以共享很多研究成果。至于地质工作者研究的受限空间的 Mantle Plume ，也算是重力流，却不能共享羽流的研究成果了。 羽流的最大特征（也是名称由来），就是其容易失稳。不管源头的条件如何，经过一定的长度（即所谓的 Morton Length Scale ，这是第一位研究者的名字），原有的动量作用消失，浮力作用控制，羽流开始失稳，所以看上去像片片羽毛在飞了。有没有层流羽流呢？当然有，如果是液体（粘性系数大），如果尺度小（特征尺度小），就可以限制湍流的产生，结果就是小锅内的加热对流现象了。我们通常研究的是空气中的羽流，自由发展的羽流，总是要失稳（湍流化）的。可是我们还是要研究其中的浓度、温度和速度的分布，对此火检设备和喷淋设备都需要了解羽流的结构，以便对症下药，设计出最佳的控制方案来。 羽流遇到天花板，发生拐弯，产生的一种流动，称为 Ceiling Jet （天顶射流），其实还是重力（或浮力）控制的流动，与钱塘湾的潮涌，并没有很大的本质性的区别。但是火场的羽流有温度差，靠近壁面会散热，所以喷淋头的感温探头总是伸出壁面，避免壁面的冷却作用导致动作延迟或根本不动作。如果伸出太多，又可能错过了天顶射流的高温区，导致喷淋头 动作延迟或 无法动作。仓库的天花板比较高，天顶射流的温度低，而且高温区距离天花板的距离增加（需要单独计算），所以仓库的喷淋头的设计是特殊的，有特殊的参数来指导，厂家也专门测试适用于大空间的喷淋头，以矫正大空间对羽流温度分布的影响。 羽流的最大特征是容易失稳，尤其是火场气体。其中最关键的，是浮力导致上升，需要旁边的气体来补充（即卷吸现象），可是旁边的气体也感受到了浮力，也需要上升，怎么办？流动破碎，羽流失稳，看上去像羽毛了。 笔者硕士博士研究对象都是羽流，居然有人凭着维基百科来说，你对羽流的理解是错误的，我也不敢说维基百科错了，只能说作者不是消防或环境工程领域的人，对羽流的认识有偏差。至于科普一定要符合中学物理的水平，那是理想的状态。给另一领域的科学家看的文章，为什么不能是科普呢？拿着维基百科和几张照片作科普的人，更需要被科普了。
个人分类: 消防以外|8640 次阅读|4 个评论
羽流、对流、与湍流
热度 3 fs007 2012-6-30 12:08
羽流、对流、与湍流
寻正 说实在的，把这三个泾渭分明的概念合在一篇文章讨论，无论是从专业角度，还是从大众科普的角度来讲，都是极为怪异的。然而，有了旅美学者挟专业之威的混淆，也就有了此文的写作基础。 羽流（Plume）的英文单词原意是指羽毛。 羽毛在文化上很重要，为什么呢？因为人类穿金戴银是相对很新的现象，在长长的人类历史上，大多数时候人类的装饰来自羽毛，因为在生产力低下的年代，捡起羽毛插头上身上装饰最便宜方便。人类用羽毛装饰自己的历史折射在中国的京剧、川剧、粤剧等古典戏剧中，这些传统剧一出场，满身的旌旗飘、枝柳摇，跟动物园里展示自己羽毛的鸟儿差不多。古典剧人家的身上插的这些花哨就来源于早期人类用羽毛装饰自己，京剧人物跟印地安人酋长没有太大区别，而京剧人物的唱腔与动作，也差不多源自己鸟儿在求偶时炫耀自己的羽毛：边唱边摇腿抖毛撅屁股。 图一、人类的羽毛情结 除了古典剧，人类想做鸟人的欲望还表现在文化的多个侧面，比如中国人成仙，那叫羽化登仙；快马加鞭不叫急，手持羽书不惜力；如果又碰到方舟子抄袭，我就似笑非笑地叹息，咋不爱惜自己的羽毛呢——尽管我明白，方舟子也清楚，他不长羽毛；中国人做图画书，表示皇帝的地位，总要在他后面画上两个侍卫，手持大羽扇——不需要扇风的冬天也不舍弃。 图二、羽毛之王权与超人象征（羽化） 有了羽毛，就有了羽流，这二者是怎么联系的呢？麻庭光这样描述： “由于重力流非常不稳定，容易受干扰而破碎，成为湍流或紊流。破碎的气体流动在通过光线时发生散射现象，影影绰绰，好像片片羽毛在飞，故也称为羽流。” 这样的描述显得很术语化，却是大谬不然，因为麻庭光显然忽视了用羽毛类比羽流的关键，那就是二维化的羽流跟羽毛形态上的相似性。喷射出来的羽流就象一片羽毛，所以称为羽流，跟“片片羽毛”在飞的形象不相关。在英文中，Plume指的是一片羽毛，而多片羽毛，比如一只鸟儿全身之羽毛分布，或者京剧印地安人的羽人造型，合称为Plumage，合适的中文译法叫“羽批”。 图三、羽毛跟羽流的联系 懂了羽流跟羽毛之间的联系，你就明白了什么是羽流，以及什么不是羽流。一个羽流的标准定义是“一柱流体在另一种流体中移动”（a column of one fluid moving through another，见英文维基）。这个定义包含了羽流，然而也包含不适宜称为羽流的情况，比如我们撒尿，这尿流基本上就不算羽流，羽流的分析模型没有太大用处。 羽流有四个要素，一是含有动量的流体F1，二是不含动量的流体介质F2，三是F1跟F2在密度上差别不能太大，但同时二者还不能同质，以至于无法分清楚二者的边界，四是F1不受F2之外的阻扰——也就是说F1完全是在F2之中流动。 F1是液体，而F2 是空气，那么就有前述的尿流或者水枪射水，不会产生羽流现象，因为F2对F1的作用可以忽略不计，二者相互基本上不发生扩散。在水中吹气，阻力太大，也不会发生羽流现象。 图四、喷射的水柱不一定产生羽流现象 我们呼吸吹气时不发生羽流，因为尽管我们呼出来的气体跟空气有化学成份上的区别，从物理特性上说，没有太多差别，无法分清楚呼出气流跟其介质空气的边界，所以也无法形成羽流。羽流是成形的，尽管最终会消融于介质中，边界越来越模糊直至消失。如果我们吸烟，吐出来的烟气流就与空气不同质了，同介质空气之间就有了边界，就形成了羽流。 羽流在观察期间有一个动力源，也就是说喷射出来的流体柱F1需要有动量，如果这个动量消失了，羽流也就会很快消散解体。羽流的特点就是由于介质分子的阻扰，流体柱在向前流动过程中，会扩大，形成羽毛状或者扫帚状外观。羽流柱体径值的扩展在物理学上有不同的模型解释描述，对于普通读者来说，理解不易，也无必要了解那么深入。 现在我们回到麻庭光的诸多论及羽流的文字上： “破碎的气体流动……也称为羽流” “这样两种介质都存在的时候，就会有温度差，从而形成羽流” “夏季发生的铁轨上方的影影绰绰，就是典型的羽流现象” “路基和环境的物性不同而在高温下产生羽流” “大部分污染源的和周围的介质不同密度，或者是因为密度本来不同，或者是因为温度差造成的密度差……密度差造成的流动与温度差造成的流动没有本质区别” “喷淋头的探头部分不是完全靠近天花板，而是伸出一点，大约3～5厘米，就是为了避开由于天花板对羽流的冷却作用，尽可能早地动作以保护生命和财产” 1 麻文的描述足以让有中学物理基础的人感到困惑与反感。密度差与温度差不要说不产生羽流，连流动也未必产生。如果我们在装液体或者气体的容器上方加热，让其从上到下产生足够的温度差，会有流动吗？不会。同样地，在水瓶底部加入液体水银，会有流动吗？不会，尽管密度差极大。我们把液体水银投入水中，的确会流动，但你会看到水银直接下沉，不会有羽毛状的水银柱外观。江湖中水密度远高于空气，但不会向上流动产生羽流。 麻文试图描述的又是什么现象呢？那就是对流（Convection）。什么是对流？当你在流体底部加热时，由于流体热胀冷缩，受热膨胀的底部流体密度变轻，在重力的作用下，变轻的局部流体会向上流动，它被挤压向上后的空间为周围温度更低的流体替代，上升后的流体由于体积增大，温度又逐渐降低，在下层温度又升高超过它的时候，它就会又落下去。有升有降，所以称为对流。近地层空气约17公里称为对流层（Troposphere），因为对流是这一层空气的主要现象，也是我们经历气候天气变化的主要原因。 对流与羽流相比的特殊之处就在于有概念，没形象，同一流体受热流动，我们是看不到对流的。所以中学物理讲对流，老师只能给同学看示意图，而没有照片可见。对流是一个普遍现象，并不局限于炎热的夏天，当你行走在铁路公路上，你感受到的向上“气流”并非对流，大部分作用源于被晒热的地面向外发出热辐射，跟你水平接近高温物体的作用是一样的。 图五、对流只能看到示意图 对流的上升气流流速可以估计：0.65*（重力常数9.81*距离*温差/气温的绝对温度）的方根。我们假定距离为人身高所感受到的范围，设为2米，温差为30度，而气温为40度，那么计算得到的最高对流流速为0.89m/s，也就是说，在蒲福氏风级中算无风（1级），中国俗语说，无风不起浪，这个流速还达不到起浪的程度，所以也称算无风。用几乎极限性气温条件都不能产生风，更不要说产生高速气流形成羽流了 2 。但是，对流的存在，以及在阳光爆晒下增强则是无疑的。 麻庭光把羽流之所以称为羽流归结于湍流（Turbulent Flow），“片片羽毛在飞”。几乎把湍流本身当着了羽流。羽流、对流、湍流在科学上几乎是风、马、牛的关系。羽流是流体流动的一个特殊现象，对流是流体传递热量的一种特殊方式，而湍流则是流体流动的另一种特殊形态。在所有的流体流动过程中，其分布可能有两种形式，层流（Laminar Flow或者Streamlined Flow）或者湍流。羽流可以是层流，也可以是湍流，或者二者的混合。在羽流的扩张的末端往往湍流增多，层流逐渐全被湍流代替。 图六、香烟燃烧产生的羽流由层流变为湍流 湍流是最复杂的自然现象之一，有的学者干脆称之为最复杂的现象，连上帝都可能搞不懂——著名物理学家海森堡曾言，如果到了天堂，他会问上帝两个问题，一是相对论，二是湍流，他只期望在前者得到满足。湍流的一个形象理解就是河流中的旋涡，平稳的水流遇到障碍物，会在障碍物远端形成回旋。湍流的另外译法就是乱流，没有规则地流。 除开障碍引起湍流外，在物理学模型中，高雷诺系数易于产生湍流，对于普通读者来说，雷诺系数跟流速相关，流速越大，越容易产生湍流。这就跟前面计算的对流流速联系起来了，即使麻庭光描述的“羽流”存在，那也是一种极低速的空气流动，产生层流的可能性远高于产生湍流！ 从不可能发生的湍流中看到“影影绰绰，好像片片羽毛在飞”，不是逻辑思考的问题，就是视力的问题。 注： 1 喷淋头的探头实际上靠近天花板，起码比喷头更靠近天花板，探头跟天花板没有关系，因为许多的烟雾探测器本身可以深入到天花板以上。喷淋头的探头不探测烟雾，而探测的是温度，有烟雾（羽流）并不见得就需要喷水。喷淋头的探头根据所要保护的环境而有不同的温度设置，麻庭光的这段描述表明他对实际的消防常识几乎一无所知，而他偏偏又爱摆消防专家的谱，在别人指出其错误时又以专家身份拒绝被指正，坚持错误，这是我为什么愿意花时间纠正其错误思想的原因，不能让谬种流传。 2 在地球物理学上有对流羽流（Convection Plume)的说法，因为地球内部也同样存在对流，而对流形成了羽流现象，但这只能算作特例。这种羽流在模型上有羽流特征，又称为Mantle Plume，中文译为地幔柱，更少羽流的意味。 图七、地幔柱模型形象有类似羽流的地方
个人分类: 对话麻庭光|24196 次阅读|6 个评论
做科研要认准目标——记周恒院士一席话
热度 4 sqdai 2011-11-12 13:39
我正在松江参加 2011 中青年湍流专题研讨会。我国湍流研究领域的中青年才俊在会上亮相，最令人高兴的是德高望重的周恒院士莅会，虽然他说，他是混进这个中青年学术会议来的，但对于他的“混进”，与会者表示了由衷的欢迎。会上他说了一番语重心长的话，我忍不住想把其中的要点记下来，与大家分享。 在周恒先生的讲话中，言简意赅地说到了两点： 第一，做科研要认真选好目标。以湍流问题为例，我们要研究真实的湍流。现在，航空航天界、大气科学界、水利工程界、海洋工程界、环境工程界等各行各业都在研究湍流、发展湍流的应用技术，有些研究已历经很长时间，但仍有很多难点，我们要从中找到自己应该主攻的目标，而不是漫无边际地胡乱行动或是沉湎于一些经院式的小题目。认准了科学的研究目标之后，才能大有作为。 第二，做科研要密切结合实际。大家知道，对力学学科，曾有不同的认识，以钱学森为代表的力学家认为力学是技术科学，以周培源为代表的力学家认为力学是基础科学，经过一番争论，力学界有了一种调和的认识：力学既是基础科学，又是应用性很强的技术科学。基础科学发展到一定阶段，一定要与实际结合，通过解决实际问题谋求更进一步的发展。力学作为发展得比较成熟的基础科学正处于这一状态。经典物理学也是如此。 周恒院士打了一个生动的比方：人在孩提时代，需要学习许多基本技巧，例如，说话、走路、学写字等等；一旦长大成人了，就得放开手脚干活去。力学学科已进入“成人”阶段，应该把解决实际问题作为主要的研究目标。他与崔尔杰、张涵信院士三年前联合发表的一篇文章就此做了分析。 周恒先生还特别强调，要解决实际问题必须了解实际应用领域的情况。例如，就湍流计算而言，航天领域与航空领域的要求就大不相同，航空问题中不适用的湍流模式却能用于航天器的流场计算。因此，为了解决问题，就得全身心地投入，进入所研究的实际领域。 我认为，周恒先生的这些真知灼见值得我们细细体味，并用以指导我们的科研实践。 写于 2011 年 11 月 12 日 10 ： 00am
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我最敬重的科学家——周培源先生
热度 35 武际可 2011-10-8 18:05
我最敬重的科学家——周培源先生 在我国现代众多科学家群体中，有众多的科学家是值得敬重的。不过要是有人向我提问：你最敬重的科学家是谁？我会毫不犹豫地回答：周培源先生。其原因，不仅是我上大学的力学专业是周培源先生所创办，周培源给我们上过基础课理论力学，也不仅是我工作后，许多年是在力学系度过的，经常能够聆听他的教诲，而是近若干年来我逐渐对力学史产生兴趣后，在浏览了许多科学名人传略后，在熟悉了我国近代科学发展史之后，经过比较和思考得到的结论。只有跳出一个系，而从近代整个中国的科学发展的角度看问题，才体味出他在我国近代科学发展上的重要地位。其理由可以简要地叙述如下： 第一 ，在 20 世纪里，整个物理界，或者说整个科学界的最为惊动人的事件，莫过于量子力学和相对论的诞生这两件大事了。而周培源有幸师从这两个方向的奠基人：海森伯、泡利和爱因斯坦。在我国老一代科学家中，周培源是有此幸运仅有的一位。 20 世纪又是我国引进现代物理的开始，在他之前，有夏元瑮、何育杰、饶毓泰、叶企孙、吴有训等较年长的现代物理学家的开拓，然而，早期的这些学者，大多是从事实验物理的，像夏元瑮虽然主要是从事理论物理的，但他处在民国初年，仍然全国内乱，经费困难，很难施展抱负。 因此，可以说，周培源是二十世纪我国从无到有，从国外引进现代理论物理量子力学和相对论的开拓者。从 1929 年归国开始，他一直坚守在理论物理的教学第一线，培养了一代又一代的现代物理和理论物理的人才。像胡宁、彭桓武、何泽慧、钱三强、张宗燧、钱伟长、王竹溪、林家翘、于光远等著名学者都曾经是他的学生，而郭永怀先生曾经在西南联合大学帮助周培源先生进行湍流计算。早先，他讲授 理论力学、流体力学、电动力学、辐射及量子论、相对论、量子力学等多门本科课程和研究生课程 ，就是说，凡是有关理论物理的课程他都讲过，后来许多课都由他的学生或学生的学生来教，而他一直坚持讲授相对论和理论力学两门基础课，一直到 20 世纪 50 年代末。 1952 年周培源又领头创建了我国第一个力学专业。这个专业的教学以厚基础著称，六十年来为国家输送了数千力学人才，这些人大多成为我国科研、教学和工程建设的技术骨干，其中仅院士就有十三名。 可以说，周培源是我国建立近代理论物理和力学队伍成绩卓著的学者。难能可贵的是他不仅是这些教学的实际执行者，因为他有积七十年的教学经历，他还是教学的组织者和领导者，因为他曾长期担任清华大学和北京大学教务长，后来又担任北京大学的副校长和校长。他一直是抵制各种干扰正常教学秩序的中流砥柱。在“大跃进”时，他坚决反对“真刀真枪搞设计”“把实验室车间化”等口号，反对把学校变成为工厂、农场的极左做法。在文革中，四人帮肆虐时期，他公然敢于抵制“理科无用论”的歪理。为了办好教育，他一身正气无所畏惧。这就是一个真正教育家的品格，所以值得我们敬重。 第二 ，周培源 是一位杰出的科学家。他将自己精力的大部分献给了力学与理论物理中两个十分困难的领域：湍流理论和广义相对论。他先后发表了数十篇论文，在这两个领域中都取得了世人瞩目的成就。 爱因斯坦的广义相对论学说１９１６年发表后，在全世界迅速传播。在中国，早期传播相对论的有夏元瑮等物理学家，然而进行深入研究爱因斯坦的学说并独树一帜的，周培源是第一位。在广义相对论的研究中，他是一位 “ 坐标有关论者 ” 而独树一帜。因为我对广义相对论是地道的门外汉，不便多嘴。 湍流是近百年来，世界公认的在整个自然科学中的难题。英国著名学者兰姆（ Horace Lamb ， 1849-1934 ）在 1932 年说过：“我老了，在我死后上天堂时，有两样事情我要向上帝讨教，一个是量子电动力学，一个是湍流，对于前者我确实是乐观的。”意思是说，上帝也不一定能够回答湍流的问题。 周培源原来的兴趣是广义相对论的宇宙论，在七七事变后，他觉得应当做一点和实际接近的课题，于是便选择了湍流这个难题。一直到他去世他从未为这个题目的困难动摇过。而且做出了重要贡献。为此，我愿意引美国专攻湍流的著名流体力学家兰磊（ John L. Lumley ）在 1995 年发表在流体力学年鉴上的的两段话来说明周培源得到的结果的重要性： “在湍流领域，他（周培源）被认为是 计算机模式之父 。在一篇发表在中国物理杂志（ Chinese Journal of Physics ， 4,1, 1940 ， pp.1-33 ）绝对原创的文章及其后更详细的发表在国际文献的三篇文章中，他引进了湍流起伏的二阶和三阶矩的方程，这些方程和稍后 Millionshchikov 的方程略微不同。 ----- ，遗憾的是，周的建议是在计算机发明之前，要靠手来进行大量的计算是很难的。但是 在现今，全世界有成百的以模式来用计算流体力学程序计算湍流的人，他们追本溯源都是直接继承 1940 年周的那篇文章的。 ” “在这一代人中，在流体力学中至少有来自四个不同国家的四位巨人，他们以自己的方法在国内和国外造成很大的影响，既是由于他们对流体力学的贡献，也由于他们提供的智力和领导，在每一个国家，那些非凡的后继者在流体力学中的出色的工作者都可以追踪为这些巨人的学术继承人。 我所说的四位巨人是：美国的冯卡门（ von Karman ），前苏联的柯尔莫哥洛夫（ Kolmogorov ），英国的泰勒（ G.I.Taylor ），和中国的周培源。 ” 能够和前三位巨人齐名的评价，说明周培源工作的意义和重要性。奇怪的是这样的评价是由美国人做出的。我本人并不是搞湍流的，在不少次学术会议上，听到流体力学报告时，满耳朵都是前三位，我们自己却没有给周培源的工作的足够评价。 周培源先生，对于自己湍流的工作，从来都是低调处理，从来没有提出过得什么奖的问题。记得是 1982 年，文革以后国家恢复奖励制度，那时我正好是负责科研工作的副系主任。学校有一次传达要求上报国家自然科学奖的项目。我回来和几位教员商量了一下就把湍流研究这个项目报了上去，项目的第一负责人是周培源，下面还有魏中磊、黄永念、是勋刚等。当时并没有和周先生商量就报了上去。周先生 知道后他说不要申报，他还要再做一些工作，取得一些新的成果。但是，力学系的同志坚持上报。最后周培源先生同意了。 后来我们知道，这个项目得到了二等奖。一直到周培源先生去世后，我们才知道， 对于《湍流理论》申报的这个奖项，他曾经给直接领导评奖工作的钱三强同志写信，明确表示：一等奖应该授予王淦昌、陈景润等同志，他的《湍流理论》得个二等奖比较合适。他写道： “ 即使将来再做一些工作并取得一些新的结果，我想也只能授予二等奖，因为从大的原则来讲，这还在牛顿力学的范围之内，而不能算是重大的原则性问题。 ” 周培源先生这种极端负责，实事求是的精神受到了科学界的高度赞赏。 在科学研究方面，最值得我们敬佩的是，在湍流领域里，周培源完全是独立开创道路的。在力学和物理领域，我们知道的许多学者都有师承的，例如钱学森是师从冯卡门的，钱伟长是师从辛格的，就是说他们的老师是力学或应用数学与力学的，他们自己的最重要的开拓性贡献也大致在这个领域内耕耘。而周培源是自己跳入力学领域独立做出重要成果的。我们知道周培源的博士论文是关于相对论方面的，和流体力学关系不太大。他转入流体力学并做出出色成果，完全是由于他的基础理论的功底扎实和非凡的独创精神所致，而且一旦转入这个领域，就要挑选世界上第一流的难题来攻击，这一点尤其是我们应当敬重的。 第三，周培源不仅是一位杰出的科学家，而且是一位正直的坚持真理的科学家。近多半个世纪以来，我国是一个多风的国家，时而理科无用，时而亦学亦工，时而学生教先生，学生上、管、改，时而批判相对论和热力学第二定律。总之，花样繁多层出不穷。周培源是一位敢于顶歪风的科学家。文革期间他直接上书周恩来，说明基础理论的重要性。他敢于顶回陈伯达批判相对论的无理取闹，他写文章阐明理科的重要性，文革以后他又阐明“一所大学办得好或不好，其水平如何，它的决定因素或根本标志之一乃是这所大学的教师阵容，教师是学校的主体，古今中外，绝无例外。”不幸的是他主张要给大学以“严选良师的条件”的意见，受到来自某位教育部长的批判。 当三峡工程上马，以几乎成为一面倒的意见时。 1988 年，当大人物们已经下了决心要上三峡工程。已经 89 岁高龄的周培源，率 182 位政协委员到湖北、四川考察，并且直接上书中央提出缓建三峡大坝的建议。他表达一百多位政协委员的心声：“我们很关心，我们很不放心”他说：“你光给领导同志送一面之词，让他如何做正确判断？几十年里我们深受其害，今天不能再说假话。”他还说：“关于三峡的争论，实质上是要不要科学，要不要民主，要不要决策民主化的问题。” 周培源的确是我心目中敢于坚持真理的一面旗帜。他说 ：“ 学校是一个搞学问的场所，而学术活动的特色乃是它的独创和革新，它的追求真理的大无畏精神和尊重实际的科学态度。”他是实践了这一诺言的。尤其是在我国现今的条件下，能够坚持这一科学家良知原则的人是很稀少的，正由于此，周培源就更值得我们敬重。 第四，周培源不仅是一位科学家、一位正直的科学家。而且是一位社会活动家。他是我国最早的国际理论与应用力学联合会的执委，它是中国人民外交学会的负责人，他还是出席世界核裁军会议的最早的代表，他还是全国政协副主席。 在中美建交之前，是他访问美国与美方达成互派访问学者的协议。 他数十年和夫人靠工资，收集古字画，在去世前全部捐赠给国家博物馆，并且把父辈的房产捐献给国家。有人说他捐献的那些字画，如果拍卖的话，会有亿万的价值，会使他的子女成为巨富，但是他没有，在九十岁后他给子女做好工作，把它献给了国家。 这些，使我们理解到，他是一位为大众办好事的老人，是一位无私的老人。这尤其是我们对他敬重的理由。 我国自古就有着浓厚的技术情结，对于做出有很大的市场价值的贡献，或者做出“会叫会跳的”新鲜东西的成果和人评价很高，而对于在基础科学上做出重要贡献的成果，则经常是视而不见。陈景润的工作、胡海昌的工作、周培源的工作等等，都是首先由外国人评价了，中国人才有人说好，这说明我们实际上还缺少评价基础科学成果的能力。其实，一个国家，只有能够客观地评价基础学科中成果的价值，才有发展基础理论的土壤。否则将永远跟在洋人屁股后面转。 周培源的一生，很值得我们后辈学子仔细研究和效法。他曾经说，他一生的座右铭是： “独立思考，实事求是，锲而不舍，以勤补拙。 ”他的确是这样做的，而且做得那样优秀、那样出类拔萃。他是一位植根于我们自己国家，独立成长的杰出的科学家、教育家。我们每每想到这些，敬重之情怎能不油然而生。
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关于等离子体中的波、不稳定性、及湍流
热度 6 等离子体科学 2011-5-13 20:58
在等离子体物理中，对于波的研究一直占据着核心地位。 波是等离子体中最基本的运动形式。等离子体中不稳定性和湍流都是波的性质的不同体现。 波的本质是介质中（比如等离子体）某种扰动模式的时空传播。只不过等离子体中波的理论强调模式的传播性质；而等离子体不稳定性的理论强调模式的增长（衰减）性质而已。 因为等离子体是多时空尺度、多自由度的多粒子体系，所以存在着大量的运动模式。而等离子体中存在的可以激发这些模式的自由能是有限的。如果这些自由能集中驱动某一个快尺度模式，则这个模式会很快增长起来，我们看到的是该模式相应的不稳定性。如果有两个或者几个模式被自由能所驱动的时间尺度相互接近，则这两个或者少数几个模式之间会呈此消彼长的局面，我们看到的是“双模竞争”或者“少模竞争”。如果这些快尺度的不稳定性都被稳定了，则有限的自由能被很多模式所分配，这些模式都可能被激发但是都长不大，我们可以看到一个具有一定宽度的谱带。如果这个谱带很窄，则我们可以用波包或者准线性理论来处理。如果谱的分布很宽，那么就成为湍流。 等离子体湍流区别于流体湍流的主要点在于等离子体中存在各种不同的波——不仅有类似流体力学波的“声波”，而且有各种静电波和电磁波。即使是所谓“声波”，本质上也是一种静电波——离子声波。而且在磁场存在的情况下，“声波”分为两个分支：“快磁声波”（简称“快波”）和“慢磁声波”（简称“慢波”）。以致其形成的激波也相应地分为“快激波”（ Fast Shock ）和“慢激波”（ Slow Shock ）。所以不同于流体湍流，等离子体湍流是根据不同的波来划分的：比如最著名的聚变等离子体中的“漂移波湍流”（ drift wave turbulence ），空间等离子体中的“阿尔芬波湍流” (Alfvén wave turbulence) ，以及“朗谬尔波湍流”（ Langmuir wave turbulence ），“离子声波湍流”（ Ion acoustic wave turbulence ）等等。当然我们也经常省略了“波”字（因为都是对应不同的波），简称“阿尔芬湍流”、“朗谬尔湍流”、“离子声湍流”等等（但“漂移波湍流”不可以简称“漂移湍流”）。这些湍流有着完全不同的物理性质——静电的或电磁的、各向同性的或各向异性的，其 k- 空间（波数空间）谱分布的幂指数率（ power law ）也因此各不相同。而它们之间的相互作用就更加复杂。因此，等离子体湍流的研究非常具有挑战性，一直是等离子体物理学乃至湍流的数学与物理理论研究的前沿。
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漩涡
热度 1 songshuhui 2011-1-25 18:15
木遥 发表于 2011-01-24 07:19 「当我去见上帝时，我要问他两个问题。为什么有相对论？为什么有湍流？我很相信他能回答上来第一个。」 上面这句话据传来自于海森堡。像一切科学史上著名的俏皮话一样，它的真实性颇为可疑。不过无论如何，它还是成了人们介绍湍流理论时最常引用的一句名言。 湍流之复杂，在数学上可以理解为三维空间中的流体方程的困难。在 Clay 研究所提出的七个千年数学难题中，第六位即是三维空间中流体方程的光滑解的存在性。大致上说，这个问题可以用生活中的语言叙述为： 给定三维空间中的一个流体的初始状态，证明这个流体会一直光滑地流动下去。 从物理的角度来看，这几乎是一句废话。正因为如此，几乎没有数学家会怀疑这个猜想的正确性。他们只是没法严格证明出来而已。 有趣的是，如果把空间从三维变成二维，情况会大不相同。上世纪三十年代开始人们就证明了在二维空间里流体方程解的存在性，并且意识到二维流体和三维流体在数学上表现出迥然相异的性质。在数学上，这种区别的根源在于在三维空间中「旋度」是一个矢量场而在二维空间中是一个标量场。简单地说，这意味着在三维空间中复杂的湍流在二维空间中就变成了人们更为熟悉的对象：漩涡。 从上世纪四五十年代开始，人们意识到二维空间中的漩涡就像一个个粒子一样，可以彼此之间发生作用。事实上，人们可以反过来通过分析漩涡的位置和运动，来重构出整个流体向量场，这反应出漩涡在对二维流体运动的理解中的本质地位。漩涡有顺时针和逆时针之分，同样方向的漩涡如果相撞，就会合并在一起。这促使人们采用类似于研究气体分子撞击所采用的统计物理模型来理解二维流体中的漩涡。描述漩涡之间相互作用的那些方程和描述粒子之间相互作用的方程在数学形式上是类似的，有趣的是，在描述粒子运动的统计物理方程中表示「绝对温度」的那一项，在描述漩涡的方程中是个负数。也就是说，充斥着漩涡的二维流体在某种意义上可以看做是一个「负温度」的空间。下面这幅图是用计算机模拟出的两个漩涡相撞时的场景。 不过为什么人们要研究二维空间中的流体呢，既然我们生活的空间是三维的？ 数学家们总可以说是为了好奇心，不过实际上，二维流体在我们生活中甚至比三维流体还要重要：我们的大气层厚度远小于横向尺度，所以基本上可以看做是完美地二维流体，海洋中的洋流也是这样。下面这两幅照片来自 NASA，前者是太平洋 Aleutian群岛上空的云层图样，后者是在 Alexander Selkirk Island 上空拍摄的。 在实验室里也可以制造出相当严格的二维流体，办法是通过肥皂薄膜。这些薄膜上的小漩涡们，看起来居然和蒙克笔下呐喊的小人有一点像。 当梵高画出那幅著名的《星夜》的时候，有没有想到过这些漩涡的意义会被后人反复追寻呢？ 您也可能喜欢： Your computer needs you 我们到底能不能消化奶？ 关于声响和气味的问题 FDA对”溶脂减肥”药物发出警告 Earth calling 无觅
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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|10770 次阅读|6 个评论
几个公开可下载的湍流数据库
热度 1 lefang 2010-6-21 23:16
1) John-Hopkins 大学的1024^3网格均匀各向同性湍流DNS数据。数据质量很好，但下载相当麻烦。 http://turbulence.pha.jhu.edu/ 2) Jimenez 的槽道湍流数据库，含四个不同雷诺数，其中3个有对应流场下载，4个都有对应统计结果下载。使用http下载，很方便。 有两个镜像，分别是： http://torroja.dmt.upm.es/ftp/channels/data/ http://turbulence.ices.utexas.edu/ 3) Toschi 小组的许多数据库，但最近好像坏掉了下载不了？这里的数据库非常全面，有3500G之多 http://cfd.cineca.it/
个人分类: 湍流|10697 次阅读|1 个评论
湍流发现史的一点启示
刘亚俊 2010-4-18 22:12
众所周知，1880年代Osborne Reynolds发现和提出管道流体从层流到湍流的转捩现象。湍流的发现是流体力学最伟大的发现，因为它带来一系列到现在还没有彻底解决的问题，而对这些问题的研究将大大拓展流体力学的理论和应用。 实际上，在Reynolods研究管道流体之前的40多年，德国的液压工程师Gotthif Hgaen在1839年就在研究流体在管道中的压力损失规律时候，就已经偶然的观测到了流体从层流到湍流的转捩过程及其对压力损失产生的影响。他发现流体速度超过一定值后，压力损失不再符合Q/R 4 的规律(现在我们称这个规律为Hagen-Poiseuille定律)。当时Hgaen采用的措施是将实验条件限制在出现异常现象的速度之下，而没有去研究为什么超过常规速度后，流体管道压力损失会远远大于常规条件下的压力损失。这样，Hgaen得到了在工程上广泛应用的Hagen-Poiseuille定律，但遗憾的错过了湍流转捩的伟大发现。 Reynolds跟Hgaen不同在于，他实际上是个理论物理学家。他当时研究的重点是物质的尺度特性，他做管道流体特性随尺度变化的实验是为了验证他的理论思想，因此湍流和Reynolds数的发现可以说是顺其自然，水到渠成的。 Osborne Reynolds 生于 1842 年， 1867 年毕业于剑桥大学女王学院。 Reynolds 不同于当时一般的工程教授的是他有很强的数学背景，而且十分关注基础物理的最新进展。终其一生， Reynolds 对实际工程问题和哲学都保持着极大兴趣。 文章资料来源 Olivier Darrigol Worlds of Flow A History of Hydrodynamics from the Bernoullis to Prandtl Oxford University Press.
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[转载]【转载】颜大椿：钱学森和北大风洞
武际可 2010-1-26 19:51
本文作者颜大椿教授，是改革开放后，首批访美学者。在访问期间和美国Laufer教授合作在湍流声发射方面做出了重要成果，被国际上称为Laufer-Yan实验。颜大椿教授是我国为数不多的对湍流有深入研究的学者之一。他对我国著名学者周培源和钱学森在流体力学和湍流方面的研究不仅有深入的了解，而且有深厚的感情。近来他为了纪念钱学森先生逝世，撰写了《钱学森和北大风洞（一）》一文。现征得作者同意，转载于此。 钱学森和北大风洞 颜大椿 我国导弹事业的一代元勋去世了，他对国家的贡献永远为全国人民怀念。钱学森先生和北大有着极深的渊源，他和周培源先生亦师亦友，在加州理工共事于著名湍流和空气动力大师冯 卡门处，分别在不同领域做出举世瞩目的贡献。在他回国之初走上导弹之父的人生道路之前，有一段对我国航空和基础研究产生重大影响的经历。 （一） 北大风洞是五十年代北大赶超世界先进水平的见证。 当时我国正经历着院系调整后的第一次教育改革高潮，周培源先生来到北大，针对航空航天的迫切需要，创办了国内第一个力学专业。筹建国内高校中最具规模的流体力学实验室和风洞群。而力学所在创办之初，迫切需要人才，更需要开展创新研究的实验室。于是按照钱学森先生关于层流翼型研究的规划，联合北大 ﹑ 力学所 ﹑ 清华 ﹑ 北航四院校的力量，在周老主持下，由钱学森先生负责总体和气动设计，在北大建立国内最大的低速风洞，并考虑到航空模型试验的需要，采取用于基础研究的二元段和用于航空试验的三元段可交替更换的两用设计方案。在二元段结构完工后，由于航空工程的急需将三元段的建造提前，并在 1958 年 10 月 1 日 凌晨成功运行。它和我国第一台电子计算机 ﹑ 半导体元器件的研制 ﹑ 和人工合成胰岛素并列为北大在第一次教学改革短短六年中的四大创新性成果。与此同时以北大丰富的教育资源，在周培源先生带领下，各系的著名科学家亲临一线讲授基础课。保证世界一流的高素质的教育水平。仅数学力学系培养出六十余名院士，包括王选等一批创新人才和第一批导弹的总设计师刘宝镛院士以及钱老的主要助手王寿云少将在内。 由于层流翼型的研究，需要风洞有极高的气流品质，不至影响转捩过早发生，因此本身就是一个要求控制湍流度在万分之二水平的低湍流风洞。设计中采用八道阻尼网和 1:16 的大收缩比，我们在三元段测试气流时，仅三道阻尼网即可使湍流度达到万分之八的水平。一位风洞专家中科院院士回忆当年北航学生参加北大风洞水磨石施工时 , 令人鼓舞的情景仍历历在目。因此北大风洞是五十年代教学改革中硕果仅存的活生生的载体，体现了我国科学发展史上各院校通力合作下，科技水平飞速发展并向世界最先进技术冲刺的见证。 （二）北大风洞是中国航空史上的重要里程碑。 北大风洞对我国航空事业堪称功绩彪炳，她作为当时的主力风洞，记录着 1976 年前所有机种的低速空气动力试验的数据，为当时飞机设计的唯一主要资料来源。她以优良的气流品质，使军机模型试验一直沿用了四十年之久，是我国航空史上使用时间最久，效率最高，对飞行器低速空气动力特性的设计贡献最大的风洞之一。在 2000 年编制的风洞试验手册中，被列为我国十大航空风洞之一。一位曾主持北大风洞工作十余年的将军说：北大风洞在我国航空史上有着重要地位和不可磨灭的贡献 , 她是活生生的一段历史的化身，应该继续发挥她的作用，成为航空业界的一个纪念馆。 （三）北大风洞设计体现世界最先进水平。 文革期间我们发现国外湍流数字化测量技术飞速发展，周老闻知后十分高兴的说：以前测一个三阶相关就是高水品的博士论文，现在测量八阶相关也很容易了。于是由周老亲自出面，通过军宣队 8341 部队王连荣副政委向空司交涉收回风洞后，开始筹建湍流实验室。希望恢复二元段重新启动钱学森先生的提出的基础研究计划，开展湍流试验研究。随即邀请霍普金斯大学工学院长 Kovasznay 教授访华介绍湍流试验研究的现状和发展方向。重新组织四院校举办湍流讨论班并添置了湍流数字化测量的仪器设备。 首批赴美访问学者于 1979 年 1 月我们参观了国家标准局的美国最大的低湍流风洞。由发现 K- 分叉闻名的 Klebanoff 教授介绍了他研究工作的进展。随后对美国的四大低湍流风洞逐一进行调查研究，在南加大的两年中详细了解了长期由海军支持的 Blackwelder 的低湍流风洞研究工作。霍普金斯大学 Corrsin 教授详细的介绍了低湍流风洞的设计并对钱学森先生的两次收缩方案大加赞赏。他指出网格湍流是各向同性的，但大收缩比的湍流是各向异性的。因此每一个低湍流风洞都要根据实际课题采取不同的应对办法。并由我在他的低湍流风洞的试验中给予证明。使我真正体验到钱学森先生低湍流风洞设计中的精妙之处。但收回风洞后原本保留完整的二元段木结构已被湍流国家重点实验室当作木料消耗殆尽。使周老一直极力企图恢复这个气流品质优异的低湍流风洞用于湍流关键性课题的基础试验研究计划始终无法进行。 （四）北大风洞是海归学子爱国主义教育的活教材。 北大风洞代表着钱老归来报效祖国的一片赤子之心。也是至今留存于世的钱老对国家重大贡献的唯一载体。拆毁北大风洞在当今世上不可能再有第二个如此高水平的钱学森风洞了。从国家利益来讲，目前经济发展蒸蒸日上，国力远远超过当年一穷二白的状况，而国家需要一大批为教育科研事业贡献终生的创新人才。每年有大批优秀青年学子出国求学，又有大批高质量的人才回来报效祖国。在几代海归中，对国家科技发展贡献之大无人能与钱学森先生相比的。保留钱老归国后为航空航天和高等教育科研事业所贡献的这项最有意义的成果，对海外归来的学子是一个最鲜活的爱国主义教育的大课堂。使钱老事业上的成就成为他们热爱祖国，努力创新，为国家科技事业多做贡献的楷模，随时鞭策自己。扪心自问，对国家贡献比钱老如何？拳拳赤子之心比钱老如何？学术水平比钱老如何？反之拆毁钱老留下的北大风洞对于海外归来报效祖国的学子，造成的影响是十分恶劣的。连钱老这样对国家做出重大贡献而扬名于世的著名科学大师的成果都被人们如此轻易的抛弃和销毁，将在学界给人们留下什么样的印象呢？ （五）北大风洞是北大作为世界名校的最大财富。 从发展高等教育培养创新人才来讲，世界各大名校对于有突出贡献的名人成果都是十分珍惜的，并作为名校的招牌和宝贵财富。名校是以名人而闻名于世的，而名人又是以他们的物质成果在名校留诸后世而为后人缅怀的。如 MIT 的大型低速航空风洞闲置多年，但从不言拆。又如 CIT 冯 卡门当年的超音速风洞和激波管风洞都完好无损地保留着。发现湍流反级串现象的 Roshko 教授在介绍时如数家珍，眼睛不时发出引以为自豪的光芒。诺贝尔奖有几个不是搞基础试验研究的？又有几个是靠计算机算出来的？这些设备就是他们创新成果的基础。所以所有名校都高度重视著名科学家的贡献，只有这样才能吸引大批著名人才进来，没有一所名校是革命革出来的！。 （六）建议建立周培源钱学森纪念馆，使北大风洞的作用充分发挥起来。 我们建议完整地将北大风洞保存下来，并以北大风洞为主体建立周培源和钱学森纪念馆，展出他们在导弹 ﹑ 航空 ﹑教育﹑科研和爱国主义精神上的种种卓越的事迹， 以表彰周老钱老对国家的重大贡献。像王进喜，焦裕禄一样供国人瞻仰。这是北大的骄傲，也是对老一代科学家的纪念。她是一段历史，记载着按照培养创新人才的办学模式下北大人引以为自豪的四大成果，记载着中国航空史中不可磨灭的功绩。 她不应只是一张图片，因为她还有巨大的科学价值。像埋在土里的黄金一样，二十年来始终未能产生她应有的光辉。因此把她从湍流和复杂系统国家重点实验室的手中解放出来，恢复由钱学森先生为研究层流翼型和湍流发生机制所设计的二元段，以完成设计中的低湍流风洞，按周老和钱老的规划真正将湍流基础试验研究开展起来，在解开湍流这个力学皇冠上宝石的神秘面纱中走出实实在在的一步。让每一个走进力学大院的学生，学者和海外归来的学子，亲眼目睹周培源先生和钱学森先生的爱国主义精神和在教育科研上的杰出成果而肃然起敬，努力学习，报效祖国，真正成为我国新一代的创新型人才。让国人瞻仰和学习他们的爱国主义精神和敬业精神，把精神力量变成为社会主义建设的动力。这一切对于使北大成为世界排名前列的名校具有重要的意义。 当然，在国外为名人建纪念馆并不是新鲜事。但是在国内为对于我国学界有重大贡献的科学家和教育家来说这还是第一次。因而，这不单单是北大的事，或者航空，航天，科研界和教育界的大事，也是国家的大事。为此我们恳请国家主席和总理对于为全国人民深深敬仰的，在国家科技教育领域做出重大贡献的周培源先生和钱学森先生，在他们唯一留存于世的硕果累累的载体北大风洞建立纪念馆，以表彰他们对我国科研教育事业的功勋。现在北大航空航天系主任关于拆毁北大风洞的计划正在进行，并获校方支持，请尽快予与制止。由航空航天系主任来拆我国十大航空风洞，这无疑是阴阳倒置的怪事，但毕竟是事实。此等大事应该光明正大的去做，希望对拆毁北大风洞的决定向群众解释清楚。 2010 年 1 月 25日
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大气边界层风速增量的概率密度函数（Probability Density Functi
sanshiphy 2009-11-24 16:49
在目前日益增多的风能开发利用中，湍流仍然是一个困扰人们的科学和技术难题。由 于大气湍流能谱中存在谱隙， 风速变量在时间尺度上可以分为两部分，每个部分在风能利用中都会产生不同的问题。在数小时及更长的时间尺度上，风速的变化和天气系统的过境以及日变化有关。在这些时间尺度上，风的可预测性对于将大量风电能量并入电网以便更合理地组织其它发电厂对电网供电非常重要。在一个小时到几秒钟的尺度上，风速变化对应着所谓的大气湍流，它对单个的风机的性能和设计、输入电网的电能品质以及用户都会有显著的影响。 因此，对风的本质进行深入细致地研究，能够为风能的有效开发和利用提供坚实的科学基础。本文关注的对象是大气湍流，为了对其本质进行深入细致地研究，我们以小尺度风速增量作为切入点，这是因为：其一、自从Kolmogorov关于湍流级窜的奠基性工作发表以来，人们认识到，湍流场的速度增量是认识湍流本质，特别是其间歇性本质的一个重要物理量，对此做了大量的实验和理论工作。其二、从风能应用角度考虑，小尺度上风速的剧烈变化就是阵风， 而了解阵风事件准确的统计规律，将有助于风能开发中的风险评估和风机载荷的设计。 研究表明，对于实验室湍流，小尺度速度增量的概率密度函数（PDF）通常满足指数分布，而大尺度的PDF满足高斯分布。与实验室湍流不同，人们对大气湍流风速增量PDF的形式迄今没有达成共识。有些研究者发现风速梯度的PDF具有指数型长尾分布的特征，并且与边界层稳定度无关。另外有些研究者发现大气边界层风速增量的PDF与实验室湍流的表现完全相似。当然还有研究者发现，在平均风速的方向上，以平均风速作为条件的分布函数才与实验室湍流相似。与上述研究者的结论不同，我们分析了北京325m气象塔和广东省气象局提供的0601号台风珍珠的湍流风速资料，发现边界层风速增量的概率密度函数满足一种标度无关律。在数学上，严格满足这种标度无关律的分布是稳定分布。这种分布是非高斯型的长尾分布，通常用特征参数和缩放参数来描述。然而稳定分布的方差发散，这意味着风场的平均动能发散，显然与实际不符。此外，研究发现风速分布的尾分布与稳定分布明显不同。种种现象表明，用稳定分布来描述风速增量的分布过于理想。为了克服方差发散的困难，本文引入了Koponen提出的截断稳定分布。这种分布方差有限，并且能近似满足分布的标度无关律。研究发现，这种分布能较好地拟合各种天气条件下边界层风速增量的分布。 我们的研究结论以Probability Density Functions of Velocity Increments in the Atmospheric Boundary Layer为题，发表于Boundary-Layer Meteorology，DOI：10.1007/s10546-009-9441-z ，欢迎有兴趣的朋友下载、指正！下载地址为： http://www.springerlink.com/content/9h586481108477u5/ 　 2010-1-25：今日上传了两个附件：附件一即是上面提到的发表在Boundary-Layer Meteorology上的文章，附件二是我们参加第一届（2008）全国大气边界层物理和大气化学学术研讨会暨LAPC2009年年会的ＰＰＴ（有修改），题目为大气边界层风速增量的概率密度函数，欢迎大家下载！ （勘误：附件一文中第四图（Ｆｉｇ．４）图标有误，Ｃ －１ 应为Ｃ ，此外附录中（Appendix B：Truncated Stable Distribution ）的特征函数i\delta u这一项应该在大括号外，特此更正，由此造成的不便，博主深表歉意！） 附件二：ＰＰＴ
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集智俱乐部最新活动——《湍流》与时间
WjjCassie 2009-9-20 23:28
《湍流》是张凡夕第四部公开上映的短片作品。 改编自日本科幻作家小林泰三短篇小说《醉步男》。 http://www.douban.co m/subject/3091791/ 　　人们都说时间像河流一样不可逆转。 　　但河流中 偶尔也会有湍流漩涡。 　　最爱的人的死让杜宇无法接受。 　　一场意外 让他具备了跨越时间的能力。 　　救她的机会只有一次。 　　他开始和时间战斗。 那么物理学家门究竟给我们描绘了一种怎样的时间图景呢？片中介绍的这种通过改变自由意志而改变时间究竟是不是违背无力法则的呢？从经典物理到热力学与统计物理再到相对论和量子力学，集智俱乐部将带领你倾听牛顿、哈密顿、爱因斯坦，以及玻尔兹曼、普里高津以及薛定鄂、冯诺依曼等科学大师们对时间的看法。 活动具体安排： 9月26日，地点：三号会所 14:00~14:40，观影《湍流》 14:40~15:00 ，特邀嘉宾，北师大科幻文学硕士郭凯从科幻电影的角度讨论这部片子 15:10~16:00，Jake给大家带来一个科普报告《时间的进化从牛顿到冯诺依曼》
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日志：K41理论的基本知识之结构函数【英文】一文有更新（New additions to the note of K41 theory）
sanshiphy 2009-7-2 20:52
对《K41理论的基本知识之结构函数【英文】》（原文链接：http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=201143）第四次进行更新，改正了文章中若干小错误。李军同学对原稿进行了仔细阅读，并指出了其中若干错误，在此表示感谢！ 欢迎大家下载并提出意见！
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九十津城话湍流
zdwang 2009-4-6 07:16
九十津城话湍流
— — 记周培源教授 1991 年在天津的学术活动 王 振 东 周培源教授 1991 年 10 月 8 日上午，在天津大学召开的第三届全国湍流与流动稳定性学术会议上所作的大会学术报告，是他一生所作的最后一次学术报告，讲述了自 1938 年以来进行湍流研究的 4 个阶段。在 8 日中午庆祝周老90大寿的午宴上，周老还总结了半个多世纪治学做人的 4 条经验。本文记述了周培源先生这次到天津来参加学术活动的情况，以纪念周培源先生。 1. 题词与轻车简从 全国湍流与流动稳定性学术会议是中国力学学会每三年举行一次的学术例会，在 1988 年的第二屆会议上，确定了下屆会议由天津大学承办。周培源教授是在湍流研究上做出卓越贡献的科学家，被国际上誉称为“湍流模式之父”，曾参加了前两屆会议，虽然年事已高，又担任着全国政协副主席和中国科协主席的领导职务，工作与社会活动十分繁忙，我们希望他能来天津参加第三屆学术会议，但又不知道能不能来参加？会议要事先印一个论文集，所以想到请周老为论文集题词。 1991 年 5 月下旬，我们非常高兴地收到了周老为论文集的题词： 8 月中旬，中国力学学会湍流与流动稳定性专业组组长、北京大学力学系黄永念教授来电话告知，周老已决定与会，并准备作大会学术报告。黄教授还提出 1991 年 10 月周老（生于 1902 年 8 月 28 日）已实岁 89 、虚岁 90 ，按照中国 “祝九不祝十”的庆祝虚岁整生日习惯，商议在会议第一天中午会餐时，安排祝贺周培源先生 90 大寿。我是周培源教授的学生，周老 1956 年曾教过我所在的北京大学数学力学系 1954 级的“分折动力学”课，还亲自上我所在小班的习题课，能有为老师祝寿的机会当然是非常高兴的事。 我们向校方作汇报了，周培源先生要来天津大学参加学术会议并要作大会报告。学校很重视，校长办公室李主任亲自协助安排第一天上午大会，及中午祝寿宴会的有关准备工作。可是等到 10 月 5 日，李主任突然急着问我，怎么还没接到北京领导部门的通知，周老是否不来了？事后知道，周老当時天真地认为北京到天津很近，想轻车简从，不惊动有关方面。他向黄永念要了我的电话号，准备打电话让我安排住处，悄悄地来天津两天。而这当然是不可能的， 10 月 6 日北京领导部门来电话通知了天津市和天津大学。 7 日下午，周老的汽车由北京的警卫车护送到京津高速公路的杨村出口，再由天津的警卫车从杨村出口护送到天津市迎宾馆。天大的车也到杨村出口迎接。周培源教授由警卫和司机二人陪同，就这样来到了天津参加学术活动。 2. 75 分钟的学术报告 1991 年 10 月 8 日上午，在天津大学科学图书馆多功能厅举行的第三届全国湍流与流动稳定性学术会议开幕式上，中国力学学会理事长王仁院士、天津市政府钱其璈副市长等致词后，周培源先生开始了题为“非压缩性流体的湍流理论”的大会学术报告。大会报告原定时间是 35~40 分钟，可是周老越讲兴致越高，一直站着、不停地讲了 75 分钟。 周老从 1938 年在昆明西南联大时开始进行湍流研究讲起，对 50 多年来的湍流研究工作做了一个总结。他将整个研究工作分成为 4 个阶段。第一阶段是在上一世纪的 40 年代，提出研究湍流必须研究脉动速度场，给出了湍流模式理论的基础。第二阶段是上一世纪的 50 年代到 60 年代，提出了先求解后平均的旋涡结构的湍流统计理论。第三阶段是上一世纪的 70 年代，他和黄永念提出了准相似假设，完成了均匀各向同性湍流统计理论的工作。第四阶段是上一世纪的 80 年代到 90 年代初，提出了广义准相似假设，给出了处理一般具有剪应力的湍流流动的奇阶截断法和逐级逼近法。 在指导研究生方面，周老从他所指导的第一个研究生王竹溪谈起，讲到了许多研究生，以及他在指导研究生時不少鲜为人知的事情。 周老 1993 年 11 月 24 日逝世。没想到这次 75 分钟的大会学术报告，竟成了周培源先生一生所作的最后—次学术报告。 当时我们请天大力学系的一位博士，给周老 75 分钟的学术报告做了录音。 2002 年为纪念周培源先生诞辰 100 周年，己将录音整理成文，刊登在 8 月出版的《力学与实践》杂志 24 卷 4 期上。 3. 治学、做人的 4 条经验 1991 年 10 月 8 日中午，在天津大学 42 斋招待所餐厅的二楼，会议为周老 90 大寿祝贺。我们从美膳酒楼订做了为周老 90 岁祝寿的双层大蛋糕。天津市的有关领导和学校的领导，也与会议代表一起向周老祝寿。 周老很高兴地感谢大家为他祝寿，并举着酒杯讲了他半个多世纪以来治学、做人的 4 条经验： 独立思考、实事求是、锲而不舍、以勤补拙 周老说，这十六个字是他做科学工作、教育工作和“做人”的“秘诀”，也是他数十年所信奉的格言。后来，周老在一篇文章 中曾较具 体地谈到这 4 条经验。这里将摘要引用周老自己在文章中的解释，以加深我们的理解： 独立思考 — 近70年所研究的近百个科研课题，几乎全是自己独立思考决定的。经历过国际国内无数的事件，走过了漫长的崎岖道路，在整个人生旅途的方向上，能做到基本上是正确的，这既是世界观和人格品质所左右的结果，也是独立思考、实事求是的结果。 实事求是 —是马列主义思想路线的基本点。做科学工作、做教育工作和人生旅程，离开了这一条就会走入歧途。在对待科研工作中的论椐和论点的科学性方面，要十分注意实事求是问题，不能浮夸，不能掺入半点虚假。 锲而不舍 —在20年代和30年代，选择了愛因斯坦广义相对论引力论和流体力学的湍流理论作为科研与教学的主攻方向，近70年来，从未动摇和转移。要像锥子一样，数十年紧紧锥住它，就是钢板也会锥出个孔来。如果一个人有这样的精神和毅力，总是可以做好几件事情的。 以勤补拙— 要多干、要勤奋，不偷懒。人的智力和体力都是有差别的，但只要肯下功夫、多下功夫、下苦功夫，时刻勤奋，数十年如—日地顽强进取，就算—个“拙”者，也定会做出几件像样的成果，节节上进，为国家为民族为人类做出自己的贡献。 1991年10月，周老以近90岁的高龄，还执著地进行学术研究，他毕生所履行的是这16个字表达的精神，今天我们正是需要继承和发扬这种精神。 参考文献 1、 周培源，我的人生道路与治学观，见《周培源文集》，北京大学出版社2002：188—189 2、 周培源，非压缩性流体的湍流理论，《力学与实践》2002，24（4）：1—9 （原刊登于《力学与实践》 2003 年 25 卷 5 期，现补充了照片 ）
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关于湍流方程的推导的工作
热度 2 肖建华 2009-3-19 00:25
记得 10 年前，本人将自己很得意的理论研究论文投稿数个国内外杂志，均以理论性太强，无应用实例或无实验证明为由退稿。个别审稿人在根本不懂的情况下，竟然敢大谈特谈我的数学公式、符号应如何如何，结果让我感到是：面对只懂普通微积分的人谈黎曼协变导数和李代数。 很不好的感觉。 此后，又有几次这种经历，有个别国内外杂志要求给出名人的推荐信（或意见）来证明论文的正确性。 我跟名人几乎不打交道。可以说是自信心，也可以说是自卑心。 那么，这类论文如何处理呢？ 不管它，研究工作继续。 在 5 年前，美国的 ARXIV 网的办网方针引起了我的注意力。此后，就把它作为将自己很得意的理论研究论文发表的地方。 这样一来，理论研究大大加快了！ 后来，觉的国内也得发一点，就把一部分发到中国科技论文在线上 了。但是，好景不长，该网为了提高学术层次，我的几篇得意的理论研究论文被拒了。一篇论文被该网的评审专家以可笑的理由挖苦了一下。此后也就对该网不感兴趣了。 古语云：士可杀、不可辱。我，理性科学之死士耶。 由于有了稳定的发表渠道，对理论的系统性更加注重，对其可读性、可理解性、连惯性也就有了更好的写作把握和安排办法。 结果， Turbulence Dynamics based on Lagrange Mechanics and Geometrical Field Theory of Deformation ， （基于变形几何场论和拉格让日力学的湍流动力学方程）一文竟消耗了我一年多的时间，并且在一年内不能有精力再写一篇论文（耗损的快完了。也就意味着我在 2009 年只有这一篇不算（按常规标准）的论文，钱上的亏是吃定了）。 该文得到的结果表明：湍流是向内传播的波（声波是向外传播的波），（并且，一维湍流的波动方程本身也满足以方程为综量的同一形式的波动方程）。这样，由于该种波的聚焦点就是湍流的高幅区，因而，形式上，湍流是无中生有的。 它把其它研究的成果也一并概括了进来。因为它把平均流流动（经典结果）做为参数给出湍流运动方程，因而，工业应用价值很大。有心人可以按上面的论文标识得到全文。 可以说，它是我的最得意成果之一（其价值远远超出我的 10 多篇 EI ， SCI 论文的总和）。但是，这篇论文的最终发表形式就是它了，决不会投向任何杂志。 我为什么会这样处理最得意成果的论文呢？这 10 年来的辛酸苦辣的必然结果是：（ 1 ）被迫用英文写；（ 2 ）被迫用网站发；而不相信杂志的。。。；（ 3 ）被迫选择不向杂志投大文章。 一把辛酸泪，满篇尽废言。
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