Frage:
Haben wir herausgefunden, wie turbulente Flüssigkeiten analysiert werden können?
BlueRaja - Danny Pflughoeft
2011-10-15 02:04:41 UTC
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Ich war überrascht zu lesen, dass wir nicht wissen, wie man turbulente Flüssigkeiten analysiert. Auf Seite 3-9 von The Feynman Lectures on Physics (Band 1) schreibt Feynman:

Schließlich gibt es ein physikalisches Problem, das vielen Bereichen gemeinsam ist. das ist sehr alt und das wurde nicht gelöst. [..] Niemand in der Physik hat es wirklich geschafft, es trotz seiner Bedeutung für die Schwesterwissenschaften mathematisch zufriedenstellend zu analysieren. Es ist die Analyse von zirkulierenden oder turbulenten Flüssigkeiten .

Wenn wir die Entwicklung eines Sterns beobachten, können wir daraus schließen, dass er Konvektion auslösen wird, und danach können wir nicht mehr ableiten, was passieren soll. Einige Millionen Jahre später explodiert der Stern, aber wir können den Grund nicht herausfinden.

Wir können das Wetter nicht analysieren.

Wir kennen die Bewegungsmuster, die sich im Inneren befinden sollten, nicht die Erde [die Erdbeben verursacht].

Die einfachste Form des Problems besteht darin, ein sehr langes Rohr zu nehmen und Wasser mit hoher Geschwindigkeit durch das Rohr zu schieben. Wir fragen: Um eine bestimmte Menge Wasser durch das Rohr zu schieben, wie viel Druck wird benötigt? Niemand kann es anhand der ersten Prinzipien und der Eigenschaften von Wasser analysieren. Wenn das Wasser sehr langsam fließt oder wenn wir eine dicke Gänsehaut wie Honig verwenden, können wir das gut machen. Sie finden das in Ihrem Lehrbuch. Was wir wirklich nicht tun können, ist mit tatsächlichem, nassem Wasser umzugehen, das durch ein Rohr fließt. Das ist das zentrale Problem, das wir eines Tages lösen sollten, und das haben wir nicht.

Ich bin kein Physiker, aber ich stelle mir vor, er sagt, wir haben Differentialgleichungen, die turbulente Flüssigkeiten beschreiben, aber Niemand war jemals in der Lage, sie explizit zu lösen oder ihre Eigenschaften ausreichend zu bestimmen.

Feynmans Worte wurden jedoch vor über 50 Jahren geschrieben. Hat es seitdem Fortschritte bei der Analyse turbulenter Flüssigkeiten gegeben?

Fünf antworten:
Ron Maimon
2011-10-20 14:27:56 UTC
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Die Fortschritte bei den Turbulenzen sind in Anfällen und Schüben zu verzeichnen und sind in den letzten Jahren aufgrund des Einflusses von AdS / CFT sehr aktiv. Ich denke, es wird bald gelöst sein, aber diese Meinung wurde von vielen in früheren Generationen geteilt und ist möglicherweise viel zu optimistisch.

Navier-Stokes-Gleichungen

Die grundlegenden Bewegungsgleichungen für turbulente Strömungen sind seit dem 19. Jahrhundert bekannt. Die Flüssigkeitsgeschwindigkeit folgt den inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen:

$$ \ dot v_i + v ^ j \ nabla_j v ^ i + \ partielle_i P = \ nu \ partielle_j \ partielle_j v_i $$ span> und

$$ \ partielle_j v_j = 0 $$ span>

Wo wiederholt Indizes werden summiert und die Masseneinheiten normalisieren die Fluiddichte auf 1.

Jeder der Begriffe ist leicht zu verstehen: Der nichtlineare Term gibt die Advektion an, er besagt, dass die Kraft auf das Fluid wirkt Beschleunigen Sie die Flüssigkeit, während Sie sich mit der Flüssigkeit bewegen, nicht an einer festen x-Position. Der Druck-P-Term ist nur eine Beschränkungskraft, die Inkompressibilität erzwingt, und er wird bestimmt, indem die Divergenz der Gleichung genommen und erzwungen wird, dass $ \ Partial_i v_i = 0 $ span>. Dies bestimmt den Laplace-Wert des Drucks

$$ \ partielle_i v ^ j \ partielle_j v_i + \ partielle_i \ partielle_i P = 0 $$ span>

Die Reibungskraft besagt, dass die Geschwindigkeit nicht nur mit sich selbst mitbewegt und gebogen wird, um die Dichte konstant zu halten, sondern auch mit einer Diffusionskonstante $ \ nu $ span diffundiert >. In der Grenze $ \ nu = 0 $ span> erhalten Sie die Euler-Gleichungen, die die Hydrodynamik ohne Reibung beschreiben.

In jeder geeigneten Grenze Bedingungen wie periodische Box oder verschwindende Geschwindigkeiten im Unendlichen bestimmt die Druckgleichung den Druck aus der Geschwindigkeit. Die Gleichungen können in einem Raster gelöst werden, und die Zukunft wird aus der Vergangenheit bestimmt.

Tonproblem hat nichts mit Turbulenzen zu tun

Das Problem zu zeigen, dass die Grenze, wenn das Gitter auf Null geht, überall sinnvoll und glatt ist, ist alles andere als trivial. Es ist eines der Millionen-Dollar-Preisprobleme des Clay-Instituts. Der Grund, warum dies nicht trivial ist, hat nichts mit Turbulenzen zu tun, sondern mit der viel einfacheren Reynolds-Skalierung.

Es gibt eine Skalierungsinvarianz im Lösungsraum, wie in Terrance Taos Blog beschrieben. Die klassische Reynolds-Skalierung besagt, dass wenn Sie einen inkompressiblen Flüssigkeitsfluss haben und diesen doppelt so klein und doppelt so schnell machen, Sie einen zweiten Fluss erhalten, der ebenfalls in Ordnung ist. Sie können sich einen Flüssigkeitsfluss vorstellen, der eine kleinere, schnellere Kopie von sich selbst usw. erzeugt und schließlich einen singulären Punkt erzeugt, an dem der Fluss unendlich schnell und unendlich klein ist - eine Singularität.

Dieser Typ der Singularität hat in 3d eine verschwindend kleine Energie, weil das Volumen schneller schrumpft als die Geschwindigkeitsenergiedichte explodiert. Dies ist sowohl gut als auch schlecht - es ist schlecht für Mathematiker, weil es bedeutet, dass Sie keine einfache Energie verwenden können, um diese Art von Divergenz zu verbieten. Es ist gut für die Physik, weil es bedeutet, dass diese Arten von Explosionen, selbst wenn sie auftreten, völlig irrelevante kleine Flecken sind, die die Bewegung des Gesamtbildes, in der die Turbulenzen auftreten, nicht beeinflussen. Wenn sie auftreten, beeinflussen sie nur kleine Nullpunkte in winzigen Entfernungen und würden durch neue Physik, eine stärkere Hyperviskosität, aufgelöst, die sie vor dem Aufblasen zu etwas Glattem zerfallen lassen würde. Sie führen nicht zu einem Verlust der Vorhersagbarkeit außerhalb eines mikroskopischen Bereichs, da es eine galileische Symmetrie gibt, die großräumige Strömungen von kleinräumigen Strömungen entkoppelt. Ein großer Fluss kümmert sich nicht um eine Punktdivergenz, sondern weist nur auf die Divergenz hin. Dies ist keine strenge Mathematik, aber es ist im physikalischen Sinne offensichtlich und sollte niemanden, der Turbulenzen studiert, dazu bringen, den Schlaf über die Existenz / Einzigartigkeit zu verlieren.

Wenn Sie die Geschwindigkeitsdiffusion durch eine schnellere Dämpfung ersetzen, die als "Hyperviskosität" bezeichnet wird, können Sie Existenz und Einzigartigkeit nachweisen. Das Problem der Turbulenzen wird jedoch von der Hyperviskosität oder sogar von der normalen Viskosität nicht beeinflusst. Es passiert alles im Euler-Regime - lange bevor die Viskosität einsetzt. Dies ist ein weiterer Grund, um sicherzugehen, dass das Tonproblem irrelevant ist.

Wenn ich das Tonproblem schreiben würde, würde ich es nicht tun haben um Existenz / Einzigartigkeit gebeten. Ich hätte nach einer statistischen Verteilung auf Differentialgeschwindigkeitsfeldern gefragt, die einen anziehenden stationären Zustand für langwellige gerührte NS-Strömungen darstellt. Dies ist ein viel schwierigeres und viel wichtigeres Problem, da es sich um das Problem der Turbulenzen handelt. Wenn eine solche Verteilung existiert und wenn sie ausreichend anzieht, könnte dies ferner zeigen, dass die NS-Gleichungen eine glatte Lösung haben, die von einem Maß-Null-Satz von Anfangsbedingungen entfernt ist. Der anziehende Fixpunkt wird sicherlich einen exponentiellen Abfall der Energie im viskosen Regime haben, und wenn sich alles diesem annähert, bleibt alles glatt.

Warum Turbulenzen?

Horace Lamb, a Der bekannte mathematische Physiker des 19. Jahrhunderts, als ein alter Mann witzelte, wenn er in den Himmel kommt, würde er Gott zwei Fragen stellen: "Warum Relativitätstheorie und warum Turbulenzen?" Er sagte dann, er sei optimistisch, eine gute Antwort auf die erste Frage zu bekommen.

Ich denke, er hätte auch in Bezug auf die zweite Frage optimistisch sein sollen. Der Grund für Turbulenzen ist bereits in der Ultraviolettkatastrophe der klassischen statistischen Mechanik klar. Wenn Sie ein klassisches Feld haben, bedeutet die Aufteilung der Energie, dass die gesamte Energie in den Modi mit der kürzesten Wellenlänge konzentriert ist, aus dem einfachen Grund, dass es nur eine Schiffsladung gibt, die mehr Modi mit kurzer Wellenlänge als Modi mit langer Wellenlänge enthält. Dies bedeutet, dass es unmöglich ist, ein Gleichgewicht zwischen klassischen Teilchen und klassischen Feldern zu erreichen. Die Felder saugen die gesamte Energie auf die kürzesten Entfernungsskalen ab.

In den meisten Situationen gibt es jedoch Bewegungen, die Energie nicht einfach direkt auf kurze Strecken übertragen können. Der Grund ist, dass diese Anträge durch Naturschutzgesetze geschützt sind. Wenn Sie beispielsweise eine Schallwelle haben, sieht diese lokal wie eine Übersetzung des Kristalls aus, was bedeutet, dass Energie nicht sofort in kurze Modi umgewandelt werden kann, sondern eine Weile dauert. Für Schall gibt es eine allmähliche Dämpfung, die bei langen Wellenlängen verschwindet, aber die Dämpfung ist real. In einem Schritt gibt es einen Energiefluss von den langwelligen zu den kürzesten Wellenlängenmoden.

In anderen Feldtheorien ist der Energiefluss jedoch in $ lokaler k $ span> -Raum. Das Analogon der Schallwellenreibung in Navier-Stokes ist die Dämpfung einer Geschwindigkeit aufgrund der Viskosität. Dies ist ein Diffusionsprozess und skaliert als $ \ sqrt {r} $ span>, wobei $ r $ span> der ist Skala der Geschwindigkeitsänderung. Wenn Sie einen Begriff haben, der nichtlineare Modi verwechselt, der auf große Entfernungen besser skaliert und weniger Zeit benötigt, um Energie in kleinere Modi zu bringen als der einstufige diffusive Dissipationsprozess, dominiert er auf großen Entfernungen.

Wenn dies ein energiesparender nichtlinearer Polynomterm ist, erfolgt die Vermischung im Allgemeinen zwischen nahe gelegenen Skalen. Der Grund ist die Additivität von Wellenvektoren unter Multiplikation. Ein quadratischer Term mit einer Ableitung (wie in der Navier-Stokes-Gleichung) erzeugt neue Wellenzahlen im Bereich der Summe der Wellenzahlen der ursprünglichen Bewegung.

Es muss also ein lokaler Energiefluss in kleinere erfolgen Wellenzahlen, nur aus der Zählung des Ultraviolett-Katastrophenmodus, und dieser Energiefluss muss aufgrund der Einschränkung der Wellenzahladditivität lokal (lokal im logarithmischen Raum) sein. Das Phänomen der Turbulenz tritt in dem Regime auf, in dem dieser Energiefluss, der als (Abwärts-) Kaskade bezeichnet wird, die Dynamik dominiert und der Reibungsterm vernachlässigbar ist.

Kolmogorov-Theorie

Der erste große Durchbruch bei der Untersuchung von Turbulenzen gelang Kolmogorov, Heisenberg, Obukhov und Onsager in den Kriegsjahren. Der Zusammenbruch der wissenschaftlichen Kommunikation während des Krieges bedeutet, dass diese Ergebnisse wahrscheinlich unabhängig waren.

Die Theorie, die sich herauskristallisierte, wird allgemein als K41 (für Kolmogorov 1941) bezeichnet und ist die Beschreibung nullter Ordnung von Turbulenzen. Um die Kaskade zu beschreiben, nahm Kolmogorov an, dass es einen konstanten Energiefluss nach unten gibt, der als $ \ epsilon $ span> bezeichnet wird und an dem Regime endet, an dem die Viskosität einsetzt, und dass es zwischen dem Pumpbereich, in dem Sie die Flüssigkeit antreiben, und dem viskosen Bereich, in dem Sie die Energie ablassen, viele Jahrzehnte lokaler $ k $ span> -Raumfluss gibt.

Das Ergebnis ist, dass das Spektrum in jedem Modus eine statistische Energieverteilung aufweist. Kolmogorov gab ein dimensionales Argument für diese Verteilung an, das ungefähr der Messgenauigkeit zu diesem Zeitpunkt entsprach.

Aus dem Skalierungsgesetz konnten alle Korrelationsfunktionen der Geschwindigkeit extrahiert werden, und es gab eine genaue Beziehung: Kolmogorov -Obukhov -5/3 Gesetz. Es wurde angenommen, dass diese Beziehungen das Problem für ein Jahrzehnt lösen.

2D-Turbulenzen

In 2D wurde von Kraichnan ein bemerkenswertes Phänomen vorhergesagt - die inverse Kaskade. Das generische ultraviolette Argument geht davon aus, dass die Bewegung auf der Energieoberfläche ergodisch ist, und dies erfordert, dass es keine zusätzlichen Erhaltungsgesetze gibt. Aber in 2d bewahrt der Fluss das Quadrat der Vorticity, das als Enstrophie bezeichnet wird. Die Enstrophie $ U $ span> ist

$$ U = \ int | \ nabla \ times v | ^ 2 $$ span>

Und dies hat zwei Ableitungen mehr als die Energie, so dass es mit $ k $ span> schneller wächst. Wenn Sie eine statistische Boltzmann-Verteilung für $ v $ span> bei konstanter Energie und konstanter Enstrophie erstellen, wird die hohe $ k $ span > Modi werden stark unterdrückt, weil sie eine große Enstrophie haben. Dies bedeutet, dass Sie keine hohen $ k $ span> -Modi generieren können, beginnend mit kleinen $ k $ span> -Modi.

Stattdessen finden Sie mehr Freiheit in kleinen $ k $ span> -Modi! Die Energiekaskade steigt generisch an und nicht an, da Sie bei längeren Wellenlängen die Energie mit derselben anfänglichen Enstrophie auf mehr Bewegungen verteilen können, da die Enstrophieeinschränkung verschwindet. Dies ist die inverse Kaskade, und sie wurde 1968 von Kraichnan theoretisch vorhergesagt.

Die inverse Kaskade ist bemerkenswert, weil sie die Intuitionen der ultravioletten Katastrophe verletzt. Es wurde durch Simulationen und Experimente in ungefähren 2d-Flüssen ausführlich verifiziert. Es liefert eine Erklärung für die Entstehung großräumiger Strukturen in der Atmosphäre, wie Hurrikane, die durch die umgebenden turbulenten Strömungen verstärkt werden, anstatt zu zerfallen. Es ist der bedeutendste Fortschritt in der Turbulenztheorie seit K41.

Moderne Theorie

Ich werde versuchen, die neuere Literatur zu überprüfen, aber ich kenne nicht viel davon, und das ist es auch ein sehr tiefes Feld mit vielen Meinungsverschiedenheiten zwischen verschiedenen Lagern. Leider gibt es auch sehr viele falsche Ergebnisse.

Ein großer Impuls für die moderne Arbeit ist die Analyse turbulenter Strömungen in neuen Systemen analog zu Flüssigkeiten. Das Phänomen der Turbulenz sollte in jeder nichtlinearen Gleichung auftreten, und das Kaskadenbild sollte immer dann gültig sein, wenn die Wechselwirkungen durch Polynome, die im log- $ k $ span> -Raum lokal sind, angemessen angenähert werden .

Ein Ort, an dem dies intensiv untersucht wird, ist die Kosmologie, Modelle des Vorheizens. Das Feld, das hier die Turbulenzen verursacht, ist eine skalare Inflation (oder Felder, die an die Inflation gekoppelt sind), die Energie in einer Kaskade überträgt, um schließlich Standardmodellpartikel zu erzeugen.

Ein weiterer Ort, an dem dies untersucht wird, ist Quarkgluon Plasmen. Diese Flüssigkeiten haben ein Strömungsregime, das durch AdS / CFT mit einem Gravitationsdoppel verwandt ist. Das Gravitationsanalogon der turbulenten Strömungen hat ein klassisches Gravitationsgegenstück in den Gesetzen des Membranparadigmas der Schwarzen Löcher. Yaron Oz ist einer der Menschen, die daran arbeiten.

Eines der erstaunlichsten Ergebnisse der letzten Jahre ist die Ableitung der genauen Gesetze der turbulenten Skalierung durch Oz allein aus den Erhaltungsprinzipien, ohne dass dies vollständig ausgewachsen ist Kaskadenannahme. Dies ist http://arxiv.org/abs/0909.3404 und http://arxiv.org/abs/0909.3574

Kraichnan-Modell

Kraichnan gab ein interessantes Modell für die Advektion passiver Skalarfelder durch eine turbulente Strömung. Das Modell ist ein Staubpartikel, das von der Flüssigkeit getragen wird.

Dies ist wichtig, da das empfohlene Partikel einen Levy-Flug und keine Brownsche Bewegung ausführt. Dies wurde experimentell verifiziert, ist aber auch wichtig, da es eine qualitative Erklärung für die Intermittenz liefert.

Abgabenflüge häufen sich in Regionen, bevor sie durch einen großen Sprung weitergehen. Die Geschwindigkeit fördert sich selbst genauso wie ein Staubpartikel. Wenn der Staub also einen Levy-Flug durchführt, ist es vernünftig, dass die Geschwindigkeit dies auch tut. Dies bedeutet, dass Sie erwarten, dass sich Geschwindigkeitsstörungen in Regionen mit isolierten Turbulenzen konzentrieren, und dass diese Konzentration gemäß der skalaren Advektion einem genau definierten Potenzgesetz folgen sollte.

Diese Ideen beziehen sich auf das Mandelbrot-Modell von Multifraktalen. Mandelbrot gab diesem Modell zu verstehen, wie es ist, dass turbulente Strömungen einen Geschwindigkeitsgradienten haben können, der in bestimmten geometrischen Bereichen konzentriert ist. Das Modell ist qualitativ, aber das Bild korrigiert die K41-Exponenten, die davon ausgehen, dass die Geschwindigkeit über den gesamten Raum homogen kaskadiert.

Martin-Siggia-Rose-Formalismen

Der größte Fortschritt in der Der Renormierungsansatz für Turbulenzen kam in den 1970er Jahren mit der Entwicklung des Martin-Siggia-Rose-Formalismus. Dies ermöglichte eine formale Beschreibung der Statistik einer klassischen Gleichung unter Verwendung eines Lagrange-Multiplikatorfelds, das für die Renormierungsanalyse verwendet wird.

Forster Nelson Stevens gab eine klassische Analyse des Problems der inversen Kaskade in 3d das Problem des langwelligen Profils einer Flüssigkeit, die in kurzen Abständen gerührt wird. Dieses Problem hängt zwar nicht direkt mit Turbulenzen zusammen, hat jedoch einen gewissen Zusammenhang, da für die statistische Verteilung im stationären Zustand Wechselwirkungen zwischen benachbarten Moden berücksichtigt werden müssen, die zu einer Kaskade führen.

Die FNS-Fixpunkte schließen Kolmogorov-ähnliche Spektren mit einigen Rührkräften ein, aber es gibt keine Bedingung dafür, dass sich die Rührkräfte an einem festen Punkt der Renormierungsgruppe befinden. Ihre Analyse bleibt jedoch der Höhepunkt des MSR-Formalismus in Bezug auf Turbulenzen. Dieses Thema ist seit fast dreißig Jahren inaktiv.

Was noch zu tun ist

Das größte ungelöste Problem ist die Vorhersage der Intermittenz-Exponenten - der Abweichungen von der Kolmogorov-Skalierung in den Korrelationsfunktionen von voll entwickelten Turbulenzen. Ich glaube, diese Exponenten sind jetzt experimentell mit zwei Dezimalstellen bekannt, und ihre Universalität wurde ausführlich überprüft, so dass das Konzept einer homogenen statistischen Kaskade Sinn macht.

Das Ableiten dieser Exponenten erfordert ein neues Prinzip, mit dem man die statistische Verteilung eines nichtlinear wechselwirkenden Feldes aus den Bewegungsgleichungen extrahieren kann. Es gibt formale Lösungen, die Sie nicht weiterbringen, da sie weit entfernt von Fixierungspunkten für die Renormierung beginnen. Dennoch ist jeder Ansatz auf die eine oder andere Weise aufschlussreich.

Dies ist eine schreckliche Überprüfung aus dem Gedächtnis, aber besser als nichts. Entschuldigung an die vernachlässigte Mehrheit.

Ich habe es aus diesem Artikel erhalten, der eine Menge Fragen zu Turbulenzen beantwortete. Http://cnls.lanl.gov/External/articles/LAS_Robert_turbulence.pdf
Dis AdS / CFT haben *** irgendetwas *** mit den jüngsten Fortschritten bei den Turbulenzen zu tun? AdS / CFT wurde zur Analyse von *** Quantenflüssigkeiten angewendet, aber was die meisten Leute als Turbulenzen betrachten, betrifft *** klassische *** Flüssigkeiten. Wie wurde AdS / CFT dafür eingesetzt?
@PeterShor: Es ist ein Teil von AdS / CFT, der mit dem Membranparadigma zusammenhängt. Jede Quantenfeldtheorie in einem thermischen Zustand hat Flüssigkeitsströme, wenn Sie sie generisch stören (der thermische Zustand bricht die konforme Invarianz und führt zu normalen Navier Stokes mit dissipativer Reibung). Die langwelligen Verformungen eines bestimmten Fluids können also eins zu eins auf Verformungen eines Schwarzen Lochs abgebildet werden. Dies wurde vor einigen Jahren von mehreren Menschen ausgenutzt, um einige Eigenschaften von Schwarzen Löchern zu finden, aber es besteht die Möglichkeit von Rückblicken von der Schwerkraft zu Turbulenzen, das Schwerkraftende ist völlig anders.
@PeterShor und Ron, vielleicht interessieren Sie sich für [dies] (http://motls.blogspot.de/2013/08/discussion-on-old-and-new-theoretical.html?m=1)? Entschuldigung, wenn nicht ...
Peter Morgan
2011-10-15 03:37:22 UTC
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Ich bin nicht befugt, die Literatur für Sie zu überprüfen, aber einer der Clay Millenium-Preise betrifft die Navier-Stokes-Gleichungen, über die Feynman in gewissem Umfang spricht dass niemand diesen bestimmten Preis beansprucht hat, Nein.

Ein Maß dafür, wie gut wir mit turbulenten Strömungen in der Praxis umgehen können , liegt darin, wie viel besser wir die vorhersagen können Wetter als wir vor 50 Jahren konnten. Besser, aber nicht viel besser. Die Verbesserungen sind nicht nur , weil wir schnellere Computer haben, es werden zum Beispiel viel mehr Daten gesammelt, aber die Verbesserungen in unserem Verständnis der turbulenten Strömung haben unsere Fähigkeit, das Wetter vorherzusagen, qualitativ nicht wesentlich verändert.

Wenn Sie sich die Wikipedia-Seite http://en.wikipedia.org/wiki/Weather_forecasting noch nicht angesehen haben, zeigt dies den Mangel an theoretischen Eingaben ziemlich deutlich.

Ich fand es interessant, die verschiedenen Disziplinen des britischen Met-Büros unter http://www.metoffice.gov.uk/research/our-scientists zu sehen. Es gibt einen großen Unterschied zwischen Klimamodellierung und Wettermodellierung, da Turbulenzen nicht auf einfache Weise skaliert werden können und unterschiedliche Arten der Analyse der Daten zulassen und erfordern.

Sie können auch auf der Wikipedia-Seite nach suchen Turbulenzen. Auch hier ist nicht viel Ihre Antwort.

Das Tonproblem hat fast nichts mit Turbulenzen zu tun, man kann eins lösen, ohne das andere zu lösen. Die Idee, dass Existenz / Einzigartigkeit etwas mit Turbulenzen zu tun hat, ist ein alter Hund, der nicht sterben wird. Die gleichen Turbulenzen treten im Wesentlichen bei jeder Hypetviskosität auf, selbst bei solchen, bei denen Existenz / Einzigartigkeit trivial ist.
Das Ziel der Turbulenzmodellierung ist auch nicht die Vorhersage der Strömung, sondern die Statistik. Es wird nicht bei der Wettervorhersage helfen.
Auch hier bin ich kein Experte, aber auf der Clay Millenium-Seite, auf die ich verweise, heißt es: "Mathematiker und Physiker glauben, dass eine Erklärung und Vorhersage sowohl der Brise als auch der Turbulenzen durch das Verständnis von Lösungen für das Problem gefunden werden kann Navier-Stokes-Gleichungen ". Sie haben jedoch Recht, dass die spezifischen Begriffe des Clay Millenium-Problems nur einen kleinen Teil der Mathematik der Fluidmodellierung ausmachen. Ihr Punkt erinnert daran, dass sich die statistischen Methoden für Flüssigkeiten * verbessert * haben. Die Wikipedia-Seite http://en.wikipedia.org/wiki/Multiscale_modeling ist leider etwas lückenhaft.
Natürlich beschreibt NA Turbulenzen, aber die Turbulenzen kümmern sich nicht um Existenz / Einzigartigkeit. Wenn die .01-Chance fehlschlägt, würden Sie nur mit einem höheren abgeleiteten Term regulieren. Die Turbulenzen sind im Vergleich zum Dämpfungsregime, bei dem Existenz / Einzigartigkeit versagen könnte, großräumig. Das Tonproblem ist für Turbulenzen irrelevant, es hat nichts damit zu tun.
Wenn Sie die Literatur gut kennen, freue ich mich auf Ihre Antwort. Ich hoffe und stelle mir vor, dass aus Sicht eines Spezialisten der Fall eintreten könnte, dass in den letzten 50 Jahren große Fortschritte erzielt wurden, aber mein Nichtspezialist versteht, dass es keine flammende Überschrift gibt.
Ich hatte das Interesse eines Dilletanten daran und begann zu antworten, aber es ist ein großes Feld und große Kopfschmerzen, es richtig zu überprüfen. Dank Yaron Oz und seiner Mitarbeiter wurden in den letzten Jahren enorme Fortschritte erzielt. Ich bewundere besonders Oz 'neue Ableitung des Kolmogorov-Gesetzes zur exakten Skalierung aus der gegenwärtigen Erhaltung - dies ist die richtige Ableitung und ich bin erstaunt, dass etwas so Grundlegendes erst jetzt verstanden wird.
@Ron Du meinst J. Fluid Mech. (2010), vol. 644, 465–472, http://arxiv.org/abs/0909.3404 und Physics Letters B 694 (2010) 261–264, http://arxiv.org/abs/0909.3574? Ich sehe, dass das erste Papier weder Fouxon noch Oz zitiert, aber Falkovich wird mehrfach zitiert. Es sieht so aus, als hätten Fouxon und Oz frisches Blut ins Spiel gebracht. Es gibt unendlich viele (übermäßig) komplexe Dinge, die in der mathematischen Physik erledigt werden können, so dass einfache (oder grundlegende) Dinge für die meisten Menschen schwer zu finden sind. Interessant, danke.
Vielen Dank, dass Sie die Referenzen gefunden haben. Ich habe gesucht und gesucht. Es ist nicht nur das, sondern AdS / CFT verknüpft die Fluiddynamik mit der Dynamik von Schwarzen Löchern, obwohl die Beziehung mehr über Schwarze Löcher als über Flüssigkeiten in ihrer jetzigen Form verrät. Die Skalierungsgesetze von AdS / CFT legen nahe, dass konforme Turbulenzen eine doppelte Beschreibung haben. Es gibt auch mathematische Arbeiten zu allgemeinen nichtlinearen Gleichungen, Kraichnans inverser Kaskade und Boltzmann-Verteilungen für Enstrophie, die das Problem in 2d im Wesentlichen lösten, und natürlich K41 / Heisenberg / Onsager nullter Ordnung und Mandelbrots multifraktale Idee.
Steve Daly
2011-10-21 20:53:08 UTC
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Die kurze Antwort lautet, dass die Navier-Stokes-Gleichung, die alle Aspekte der Flüssigkeitsbewegung beschreibt, nur dann für turbulente Strömungen gelöst werden kann, wenn bestimmte Vereinfachungen vorgenommen werden. Dafür gibt es eine Reihe von Gründen, von denen einige auf dieser Seite beschrieben werden. Wenn die Computerleistung schließlich zunimmt, sollten wir in der Lage sein, die Gleichung direkt zu lösen. Ich glaube, das hat Feynman gesucht. In der Zwischenzeit bauen wir jedes Jahr gerne kilometerlange Rohre und transportieren eine Vielzahl turbulenter Flüssigkeiten. Wir verwenden die direkte Anwendung der Theorie kombiniert mit empirischem Verständnis basierend auf Laborexperimenten und Beobachtungen. Die Ingenieure haben Arbeit und die Physiker haben ein großes Problem zu kauen.

Das Problem sind keine großen Computer, das Problem ist, dass eine statistische Sache auftaucht, die Wahrscheinlichkeitsverteilung einer Geschwindigkeitsverteilung, die noch keine theoretische Beschreibung hat. Es gibt eine Kontinuumsgrenze, aber niemand weiß, was diese Grenze ist.
@RonMaimon-So sagen Sie, dass die numerische Berechnung von Navier-Stokes-Gleichungen keine turbulenten Lösungen liefert?
@cspirou: Sicher, aber Computer sind nur schnell genug, um Reynolds-Zahlen in der Größenordnung von 100 auszuführen, während voll entwickelte Turbulenzen Reynold keine Unendlichkeit sind. Es gibt dort mehr statistische Strukturen, Sie sollten den Computer nicht so hart arbeiten lassen müssen.
Stan Won
2013-06-03 15:54:23 UTC
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Ja, ich habe immer interpretiert, dass Feynman sagte, wir hätten die Gleichungen, aber wenig Ahnung von den Eigenschaften von Lösungen.

Mathematisch konzentriert sich dies auf das Tonproblem, weil die allererste und wichtigste Frage zu Ein Gleichungssystem besteht darin, ob es eindeutige und vorzugsweise kontinuierliche Lösungen gibt. Dieses Problem war bisher nicht zu lösen, da die Energie explodiert, wenn die Skalen sinken. Aus physikalischen Gründen bin ich davon überzeugt, dass das Tonproblem nicht auf physikalisch sinnvolle Weise gelöst werden kann.

Das Argument ist einfach: Navier Stokes ist eine kontinuierliche Gleichung, aber die Flüssigkeiten sind unterhalb einer bestimmten Skala (z. B. einiger Moleküle) nicht mehr kontinuierlich. Es ist garantiert, dass auf dieser Skala die Energie- und Impulserhaltung von Navier Stokes nicht mehr gegeben ist und die Gleichungen zusammenbrechen. Während diese Aufteilung uns physisch vor Singularitäten bewahrt, stellt sie den Mathematiker vor eine unlösbare Aufgabe - er muss extrapolieren die Gleichungen in eine Domäne, in der sie ungültig sind, weil genau hier sein Problem der virtuellen Singularität liegt.

Nun sollte ich auf Skalen, in denen Navier Stokes gültig ist, sagen, dass die wichtigsten Fortschritte mit der Verwendung von erzielt wurden Nichtlineares Dynamikparadigma (Chaostheorie). Hier stellt sich die Frage, ob es im Raum der Funktionen einen Attraktor gibt, zu dem alle Lösungen von Navier Stokes mit Raumskalen über einer bestimmten Grenze konvergieren. Zusätzlich kann gefragt werden, ob es eine (Invariante? ) Wahrscheinlichkeitsverteilung der Lösungen auf dem Attraktor.

Die Antworten auf diese äußerst wichtigen Fragen sind 50 Jahre nach Feynman noch unbekannt, da Navie, wie Terry Tao schrieb r Stokes und das chaotische Verhalten von Flüssigkeiten sind sehr schwer.

Haben Sie das Buch von [Uriel Frisch] gelesen (http://books.google.ch/books/about/Turbulence.html?id=K-Pf7RuYkf0C&redir_esc=y)?Dort wird erklärt, dass, da die Viskosität mit dem mittleren freien Weg der Partikel zusammenhängt, der Abstand zwischen den Partikeln abnimmt, wenn die Reynolds-Zahl so erhöht wird, dass Sie nicht auf das von Ihnen beschriebene Problem stoßen.Siehe Abschnitt 7.5 des Buches.
Jokela
2015-06-20 01:28:25 UTC
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Ja, "Wir" haben.

Der Grund, warum Energie mit abnehmender Skala explodiert, ist die Tatsache, dass sich Oberflächen in der Flüssigkeit befinden. "Turbulenz" ist Flüssigkeit, die in Teilen gebrochen ist. Wenn Sie einen großen Wirbel haben, hat er nicht viel Oberfläche. Aber wenn Sie viele kleine haben, haben sie exponentiell mehr Oberfläche. Und Oberfläche ist Energie! Jeder m2 Wasseroberfläche hat 72,8 mJ / m2 Energie.

Wenn Sie also Wasser so kleine "Körner" wie einen Zement mit einem Blaine-Wert von 1000 "aufschlitzen", bedeutet dies, dass ein kg (oder ein Liter) Wasser eine Oberfläche von 1000 m2 hat und 72,8 J verbraucht Energie. Dies reicht aus, um das Wasser nur um 0,02 Grad zu erwärmen.

Diese Oberflächen machen auch das Chaos; es gibt Kollisionen und Reibung und nicht nur viskose Kräfte.

Weiter erklärt es das Mischen; Die molekulare Diffusion ist natürlich effizienter mit einem größeren Reaktionsbereich.

Um also die Merkmale zu schließen, die die Turbulenz gemäß Wikipediea charakterisierten;

Unregelmäßigkeit; Wenn die Flüssigkeit ein Teil verdreht und wieder vereinigt wird, verursacht der Wechsel zwischen viskoser Kraftübertragung und Kollisions- / Reibungskraftübertragung eine gewisse Zufälligkeit, die zuerst entwickelt werden muss .

Diffusivität; Die neu erzeugte Oberfläche beschleunigte die molekulare Diffusion.

Rotation; Typischerweise drehen sich diese "gespaltenen Teile" rotierend Wirbel. Es kann festgestellt werden, dass sich diese Wirbel wie ein Top-Spin verhalten, der gegen die Wand schlägt.

Verlustleistung; Es gibt die Oberflächenenergie (Spannungsenergie), die nicht auf Druck oder Geschwindigkeit zurückgeführt werden kann, sondern nur auf Wärme. Und ist zusätzlich zu viskosen Verlusten. Und es gibt auch Oberflächenreibung, die nicht mit viskosen Verlusten identisch ist. Aber auch die viskosen Verluste können größer sein, da sich die Flüssigkeit freier bewegen kann.

Ich habe ein Papier darüber erstellt. Wenn jemand daran interessiert ist, es zu begutachten, teile ich es gerne mit. Ich habe meine Studien auch auf youtube veröffentlicht;

https://www.youtube.com/playlist?list=PLgUc9kJnDMMExJivT2dWh9dAjdYYUgOFE

Die Erklärung ist bereits ziemlich alt und enthält nicht alle Aspekte, die ich bereits habe herausgefunden.

Und ja, "Wir" können die Existenz dieser Oberflächen sogar leicht durch Optik nachweisen. Hinter diesem Youtube-Link steckt Material.

EDIT: (6. Mai 2018)
Ich habe jetzt die Mathematik davon vollständig gelöst. Ein neuer Parameter muss zu den Navier-Stokes-Gleichungen hinzugefügt werden, wenn Froude Number; $ Fr = \ sqrt3 $

Dieser Parameter ist abhängig von der Froude-Nummer und kann wie folgt berechnet werden; $$ \ frac {\ sqrt {1 + 8Fr ^ 2}} {2 + Fr ^ 2} $$

Das vollständige Papier für diese Mathematik finden Sie hier. https://www.researchgate.net/publication/322619460_Navier-Stokes_existency_and_smoothness_problem_-The_Answer

Diese Lösung passt perfekt zu experimentellen Daten. dh. Figure_8_from_HYD-399_USBR https://www.researchgate.net/publication/322764857_Figure_8_from_HYD-399_USBR



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