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歐拉方程求解是否比N-S方程更加困難?

第壹回 楔子

歐拉方程求解之難點在其物理之不自洽性,亦在於數學分析及數值計算之困難。物理上,歐拉方程無粘性,故不自洽。宇宙中不存在理想流體,理想流體乃壹近似而已。求解歐拉方程所得解未必合乎物理實際。

第二回 湍動

理想流體可視作雷諾數無窮大之粘性流體。粘性流體遵從N–S方程,若漸次增大方程之雷諾數至無窮大,則N-S方程趨於歐拉方程。粘性巨大之流體若瀝青者,難以觸發湍流。若減小粘性,即增大雷諾數,情況能有改變。雷諾數增加至某臨界值時,情況能有根本變化。若雷諾數比臨界值略高壹點,則流體對微小擾動穩定,而對振幅於某範圍內之擾動,流體可形成有限振幅之振動。相空間中,流體振動可以壹環狀結構表示(設想單擺,單擺於相空間中之軌跡,乃是壹環,振動流體亦然)。若雷諾數繼續增大壹點,流體會在既有振動上形成頻率更高的新振動,在周期較大的振動上疊加了周期較小的振動。此刻,流體在相空間中之軌跡如下圖。與環饒了線圈的輪胎類似。

若雷諾數繼續增大微小的量,又可形成新的振動,若雷諾數再增大,便會產生更多振動模式。相空間中,相點運動軌跡愈益復雜,新誕生振動之尺度愈益減小。產生新頻率所需雷諾數之間隔迅亦速減小。若不同頻率振動之周期比為無理數,則相空間中軌跡不閉合。相軌跡不閉合,則運動已失其周期性。自相軌跡上壹點出發沿相軌跡走,永不可回歸初始點。流動迅速變得復雜與混亂,形成湍流。

第三回 級聯

若雷諾數繼續增大微小的量,又可形成新的振動,若雷諾數再增大,便會產生更多振動模式。相空間中,相點運動軌跡愈益復雜,新誕生振動的尺度愈益減小。即初始時刻流動尺度較大,隨時間推演,大尺度結構(例如大漩渦),會撕裂成小尺度結構。例如K-H不穩定性,初始乃整齊的大尺度結構,隨著不穩定性發展,產生諸多小漩渦。自大尺度結構轉變至小尺度結構,大尺度能量亦轉移至小尺度,能量分散到細小的結構上。正如壹行駛的列車突然散架,整列火車的動能會分散到各個車廂。大漩渦破損形成小漩渦,能量就分散了。如此自大尺度結構逐級向小尺度結構轉移能量的過程便是級聯過程。級聯過程不停息,小尺度結構不斷生成。直至尺度夠小,乃至於小尺度結構的能量不足以應付粘性耗散,小尺度漩渦在粘性力作用下被徹底破壞,此時便不可再形成更小尺度結構,級聯過程截斷。流體能量通過級聯過程向小尺度結構輸運,最終在小尺度上被粘性消耗。簡言之,粘性流體湍流級聯過程並非無休止進行,而由於粘性作用被截斷。理想流體無粘性,故而無論產生怎樣小的結構,都不可被粘性消耗,級聯過程無截止!小尺度結構不斷誕生,不可休止。

第四回 漲落

何為流體?流體乃宏觀模型。萬物由微觀粒子構成,若把微觀粒子視作顆粒,萬物乃離散的,而非連續的。宏觀來看,分子原子不可見,分子原子之顆粒狀結構不可感知,只可見分子原子組成的物體。然則流體模型假設所研究對象連續,顯然不合乎萬物由離散顆粒所構成之事實。故流體模型並非普遍適用於所有尺度,僅當尺度遠大於分子平均自由程時適用。在此宏觀尺度,宏觀可測量物理量,例如能量動量,乃系宗平均值,漲落存在卻不可感知。在此宏觀尺度,可以經典力學方法研究物體運動,推得流體力學方程。上回提到,理想流體無粘性,故而無論產生怎樣小的結構,都不可被粘性消耗,級聯過程無截止。小尺度結構不斷誕生,不可休止。由此生出壹問題來,若尺度小於分子平均自由程,何如?在如此巨小尺度,分子的顆粒狀結構和碰撞已明顯可感,漲落顯然。宏觀流體力學方程已不再適用!歐拉方程以其無粘性,故不可自洽。無粘性不合乎物理事實。而如何處理小尺度過程?當以動力論(kinetic theory),而非流體力學。

第五回 無限

理想流體無粘,故而無論產生怎樣小的結構,都不可被粘性消耗,級聯過程無截止。小尺度結構不斷誕生,不可休止。古典微積分可處理連續函數,而對此小尺度嵌套更小尺度的復雜結構具有困難。此種結構似套娃,無限嵌套的套娃。

第六回 計算

將歐拉方程差分,得差分方程,所得差分方程不顯含粘性。可事實上,數值計算格式中隱含數值粘性。例如,激波理論上乃壹平面,平面無體積。而在數值計算坐標格子中,激波顯然不可不占據體積,激波少則亦須占壹排格子。則在數值計算中,激波非理想平面,而是壹些格子,激波有了厚度。這相當於解析理論中,由於粘性作用使激波變厚。這種由於離散而造成的相當於粘性的效果便是數值粘性。故嚴格說來,數值計算不可算理想流體,只可算粘性流體。數值計算中,粘性具有重要意義,若無粘性,數值計算結果可能不穩定。實際上,不可數值求解歐拉方程,而只可以雷諾數較大的粘性流體逼近理想流體。