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第四百一十章 柯尔莫哥洛夫湍流定理

    1941年柯尔莫哥洛夫在建立湍流的统计理论过程中提出的三个基本假设。即局部均匀各向同性湍流。

    柯尔莫哥洛夫的学生盖尔范德说:“老师,你对于涡流理论有新理解吗?”

    柯尔莫哥洛夫说:“假如流体向各方面无限扩展,则在大雷诺数时,可以认为湍流涡旋运动的随机特征是各向同性的。”

    盖尔范德说:“没错,有什么问题吗?”

    柯尔莫哥洛夫说:“但实际上,这种条件很少能被满足:一方面,流动会受到固体边界的限制;另一方面,流动的总能量也不可能无限制扩大,量级为l的大涡旋运动肯定不是各向同性的,但对于小涡旋,整体运动的影响迅速下降。”

    盖尔范德说:“你的意思是虽然流动整体式非各向同性的,但在给定的微小区域内,可以近似的把它看作是各向同性的。”

    柯尔莫哥洛夫说:“没错。这正是我的第一假设。”

    盖尔范德说:“那你的第二假设的内容是?”

    柯尔莫哥洛夫说:“在局部均匀各向同性区域中,流体运动由内摩擦力和惯性力决定。”

    盖尔范德说:“嗯,有点意思。”

    柯尔莫哥洛夫说:“涡旋体系单位体积中传递的能量流在数值上等于能量耗散率,与此相应,运动统计特征可以依赖的参数只有能量耗散率和运动粘性系数。”

    盖尔范德说:“还有第三假设内容吗?”

    科尔莫哥洛夫说:“当然。在大雷诺值时,存在称为惯性范围的尺度区间,在此范围内,内摩擦力的影响是不重要的,因而可以略去,运动图像由惯性力决定。”

    一边说,柯尔莫哥洛夫写出了这个尺度区间的范围。

    k41理论认为,无论一个湍流系统如何复杂,其涡旋结构都有着相似性,即涡的动能总是由外力作用施加给流场,并注入最大尺度(假设为l)的涡结构。然后,大尺度涡结构逐次瓦解并产生小型涡旋,同时也将动能由大尺度逐级传向小尺度结构,并依此类推。但此过程并不会无限进行下去,当涡结构尺度足够小(假设为η)时,流体粘性将占据主导地位,动能转化为内能在该尺度上耗散掉,继而不会继续传向更小尺度的涡结构。这个过程,被称为能级串过程。

    我们试举一例将其具体化。假设有一个长度尺度为l的水桶,我们手持搅拌器在同样的尺度l上对桶里的水进行搅拌。不难想象,桶中会出现尺度为l的最大涡旋结构。

    随着时间的推移,桶中的涡结构尺度层次会变得更为丰富,不断有更小的涡产生。此时,系统将达到一种动态能量守衡:动能由搅拌器在大尺度l上施加给系统,系统中的动能由尺度为l的大涡一级级传向小涡结构,最终由于粘性耗散在最小尺度的涡结构里。整个系统力作而兴,力息而竭。如果我们撤去搅拌器的外力,桶中的涡旋结构将会慢慢衰减,直至被粘性消耗殆尽。

    如果柯老邪的发现仅仅是这样一个有着些许诗意的湍流物理模型,k41理论的江湖地位难免会大打折扣。事实上,k41理论之所以成为湍流界的至尊,是由于其在物理模型之上引入了对于湍流的定量描述。而数学,是描述自然规律唯一有效的语言。