流体剪切流动的层流-湍流转变研究

"Laminar-Turbulent Transition of Shear Flows - 谢学纲 - 首发论文" 文章“Laminar-Turbulent Transition of Shear Flows”由谢学纲撰写，发表于北京理工大学应用物理系，探讨了流体剪切流动中的层流到湍流的转变。该研究基于非平衡热力学的局部平衡假设，指出在正常条件下，流体的每个微小质量元素都处于局部平衡状态，不仅具有整体平移速度，还具有整体旋转角速度。 作者提出了一套新的流体力学方程，这组方程包括了角动量守恒的平衡方程。通过这个方程组，将流体的运动分解为两个部分：大规模运动和小规模运动。对于大规模运动，研究证实纳维-斯托克斯方程仍然适用，由此导出的所有结果也保持有效。然而，在局部高剪切区域的小规模运动中，由于高速剪切的存在，速度和角速度之间的相互作用必须纳入考虑。 为了进一步阐述这一点，作者采用了非线性波相互作用模型进行数值分析。分析表明，当局部剪切达到一定强度时，速度和角速度的相互作用可能导致层流状态向湍流状态的转变。这种转变通常与流体动力学中的不稳定性和能量的不均匀分布有关，是流体力学中的一个重要现象，对于理解和预测流体系统的行为，尤其是在航空航天、机械工程以及许多工业过程中的流动问题，具有重要意义。 通过深入研究这些复杂的动态过程，可以为控制和优化流体系统的性能提供理论依据，例如，改善飞机机翼或涡轮叶片的气动效率，或者理解管道中的湍流如何影响物质传输。此外，对层流到湍流转变的深入理解还有助于开发新的设计策略，减少能源消耗，提高工程系统的效率。 这篇论文为理解流体剪切流动中的复杂动态提供了新的视角，并为未来在这个领域的实验和数值模拟工作提供了理论基础。