作為一種物理現(xiàn)象的湍流的實(shí)質(zhì)

Arkady+Tsinober

如所周知， 一切液體和氣體的流動(dòng)可以分成兩種不同的形式：平穩(wěn)的層流和變化的湍流。在湍流中速度、壓強(qiáng)、溫度以及其它的一些流體力學(xué)特征量均以某種無(wú)序方式發(fā)生漲落，具有劇烈和無(wú)規(guī)的時(shí)空變化。實(shí)際上很多湍流都是從層流環(huán)境中生長(zhǎng)起來(lái)的，通常都只能稱(chēng)作是部分湍流，其中的湍流與層流部分共存在于同一流體中，而且不斷穿過(guò)兩者邊界發(fā)生著轉(zhuǎn)換。與通常的理論描述不同，它們既不是均勻的也不是各向同性的。這種部分湍流表現(xiàn)出明顯的隨機(jī)性和無(wú)序性，使得闡明湍流以及湍流的問(wèn)題存在很大困難，甚至是不可能的。湍流的特征來(lái)自于觀測(cè)，如：內(nèi)在明顯的時(shí)空隨機(jī)性，具有非常寬而強(qiáng)且非定域的相互作用自由度，不可預(yù)測(cè)的三維高度耗散系統(tǒng)，明顯的不可逆性以及強(qiáng)烈的非線性等。所有的這些定性特征描述對(duì)于一切湍流都是普適的。所謂的“湍流現(xiàn)象”主要都是與觀測(cè)聯(lián)系在一起的，而在湍流研究中起過(guò)重要作用的一些“理論”目前還無(wú)法準(zhǔn)確闡明“湍流”現(xiàn)象和特征。缺乏關(guān)于湍流基本物理過(guò)程的知識(shí)，它的生成和起源以及它的諸多屬性，比如非定域性、耗散性、標(biāo)度不變性、對(duì)稱(chēng)性等，甚至關(guān)于什么樣的方程適于描述湍流等數(shù)學(xué)問(wèn)題或數(shù)學(xué)物理問(wèn)題都沒(méi)有很好地解決。

本書(shū)是第一部簡(jiǎn)捷、清晰和全面概述湍流作為一種物理現(xiàn)象的本質(zhì)的專(zhuān)著。作者依據(jù)其物理、數(shù)學(xué)與工程的知識(shí)背景，基于對(duì)自然界、實(shí)驗(yàn)室以及直接的數(shù)值模擬，從一種基本觀點(diǎn)出發(fā)，批判性地重新考察究竟湍流是什么。重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)概念、有疑問(wèn)的諸方面、物理現(xiàn)象、觀測(cè)、誤解和尚未解決的問(wèn)題。

全書(shū)內(nèi)容分成4個(gè)部分。第1部分 湍流的現(xiàn)象與問(wèn)題，包括第1-3章：1. 湍流的現(xiàn)象區(qū)別于湍流的問(wèn)題；2. 湍流的問(wèn)題區(qū)別于湍流的現(xiàn)象；3. 什么方程適于描述湍流。第2部分 湍流模式本質(zhì)的爭(zhēng)議點(diǎn)I，湍流的起源及其本質(zhì)，含第4-6章：4. 湍流的起源； 5. 湍流的本質(zhì)；6. 關(guān)于利用統(tǒng)計(jì)方法的爭(zhēng)議。第3部分 湍流模式本質(zhì)的爭(zhēng)議點(diǎn)II：特征，含第7-9章：7. 湍流的各種“N”（指英語(yǔ)前綴“NON”，包括不可積性、非線性和非定域性等）；8. 大Reynold數(shù)行為、對(duì)稱(chēng)性、普適性；9. 湍流的間歇性和結(jié)構(gòu)。第4部分 結(jié)語(yǔ)，含第10-11章：10. 關(guān)于現(xiàn)狀；11. 附錄，引用精注。

本書(shū)是作為湍流的模式基礎(chǔ)而不是數(shù)學(xué)流體力學(xué)的另一種概略的根本性的評(píng)價(jià)。作者闡述了湍流的本質(zhì)特點(diǎn)，他們對(duì)于推進(jìn)該領(lǐng)域的高水平研究異常重要。作者希望這部篇幅不大的專(zhuān)著，會(huì)幫助流體力學(xué)、非線性物理、數(shù)學(xué)和工程學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的研究生與研究人員，從該領(lǐng)域大量文獻(xiàn)中抽取出“本質(zhì)”的東西。

丁亦兵，教授

（中國(guó)科學(xué)院大學(xué)）endprint