設萬維讀者為首頁 萬維讀者網 -- 全球華人的精神家園 廣告服務 聯繫我們 關於萬維
 
首  頁 新  聞 視  頻 博  客 論  壇 分類廣告 購  物
搜索>> 發表日誌 控制面板 個人相冊 給我留言
幫助 退出
KYGuan的博客  
數學、物理、力學中的趣味問題  
https://blog.creaders.net/u/5846/ > 複製 > 收藏本頁
我的名片
King
註冊日期: 2012-01-20
訪問總量: 38,402 次
點擊查看我的個人資料
Calendar
我的公告欄
最新發布
· 將所討論的問題上升到相對性原理
· 昨天在科學網發布了新博文
· Crookes 輻射計實驗帶來的光壓理
· 光壓公式與理想氣壓公式對反射系
· 一個涉及物理學與力學基礎的趣味
· 與千禧大獎問題有關的解(含動畫
· 量子力學中態的觀測性
友好鏈接
分類目錄
【數學物理】
· 將所討論的問題上升到相對性原理
· 昨天在科學網發布了新博文
· Crookes 輻射計實驗帶來的光壓理
· 光壓公式與理想氣壓公式對反射系
· 一個涉及物理學與力學基礎的趣味
· 與千禧大獎問題有關的解(含動畫
· 量子力學中態的觀測性
· 關於Bell態概念的質疑
· 關於Bell態及量子隱形傳態(Telep
存檔目錄
06/01/2023 - 06/30/2023
04/01/2023 - 04/30/2023
09/01/2022 - 09/30/2022
08/01/2022 - 08/31/2022
08/01/2012 - 08/31/2012
02/01/2012 - 02/29/2012
發表評論
作者:
用戶名: 密碼: 您還不是博客/論壇用戶?現在就註冊!
     
評論:
與千禧大獎問題有關的解(含動畫)
   流體中布朗運動和擴散過程等複雜運動能用流體基本運動方程的精確解描述嗎?

此問題與著名的千禧年大獎數學問題(Millennium Prize Problems)密切相關。 2000年5月24日,美國的 Clay Mathematical Institute 發布了7個千禧年大獎問題。其中之一是關於Navier-Stokes方程。Clay Institute 在其網頁上用簡短生動的語言介紹了這一問題

‘Waves follow our boat as we meander across the lake, and turbulent air currents follow our flight in a modern jet. Mathematicians and physicists believe that an explanation for and the prediction of both the breeze and the turbulence can be found through an understanding of solutions to the Navier-Stokes equations. Although these equations were written down in 19th Century, our understanding of them remains minimal. The challenge is to make substantial progress toward a mathematical theory which will unlock the secrets hidden in the Navier-Stokes equations.’

中文譯文(摘自中國科技網關於千禧年數學問題的介紹): “起伏的波浪跟隨着我們的正在湖中蜿蜒穿梭的小船,湍急的氣流跟隨着我們的現代噴氣式飛機的飛行。數學家和物理學家深信,無論是微風還是湍流,都可以通過理解 納維爾-斯托克斯方程的解,來對它們進行解釋和預言。雖然這些方程是19世紀寫下的,我們對它們的理解仍然極少。挑戰在於對數學理論作出實質性的進展,使我們能解開隱藏在納維葉-斯托克斯方程中的奧秘。”

顯然,探索此問題的一個嘗試就是對Navier-Stokes方程最簡單的形式,即無粘性的Euler方程,研究是否存在可描述流體某些複雜運動的精確解。

其 實,在近三十年一些研究者已找到了某些可描寫複雜流體運動的精確解,例如文獻[1],[2],[3]中所給出的。不過這些解都要求Euler方程中的外力 必須有對應的複雜且非自然(指不是由位勢的負梯度形成)的形式, 也就是說這些解所描述的複雜運動是由複雜且非自然的外力所驅動的。因此,這些解還不夠令人滿意。

2006年-2008年我和我的研究生於 威威、劉明惠也探索了相關問題。我們用於威威提出的“偽勢”方法求出了平面上Euler方程的一類精確解,該解容許任意給定兩個函數和三個任意參數,而且 不需要Euler方程包含驅動該解的特殊外力(外力可以是零,或任何自然界普遍存在的有勢力)。用KAM理論及Melnikov函數法,證明了其中某些精 確解可以描述相應流體質點的布朗運動及流體不同部分間的相互擴散(滲透)過程。這是對確定性系統中混沌現象的一種精確描述。在我的科學網博客文章由自然與美談起(86-89頁)中可找到該精確解的形式及有關證明思路的介紹,精確解及Melnikov函數也可在所附的pdf文件《Main Mathematical Formulae》中找到。

Main Mathematical Formulae.pdf



為顯示該解描述的流體複雜運動, 這裡給出一個動畫(點 擊動畫的鏈接可觀看),它是用Wolfram公司的《Mathematica》軟件完成的。動畫描述初始時刻均勻分布在4個小圓圈上40000個流體質點 (每個小圈上的質點染上同一種顏色,4個小圈顏色不同)按精確解的運動情況,它顯示出4個小圈隨其上流體質點運動的變形過程及不同圈上的質點相互擴散(滲 透)的複雜運動過程。

有趣的是,嚴格的理論可以證明:如果這4個小圈都是由無窮多個流體質點構成的連續曲線,質點都按精確解運動,那麼運 動中小圈可以變形,但所圍的面積不變,而且連續的小圈之間不可能交叉產生真正的相互穿透(滲透)。但實際的流體中質點是離散的,不能構成真正連續的小圈, 當小圈的曲線被據烈拉長變形時,有限個質點形成的曲線的“連續形象”會被明顯破壞,正如動畫所顯示的,這時會發生真正的擴散或相互滲透。

還 需指出,動畫所用的精確解中的速度分布,對時間、對平面的x,y坐標都是周期分布的。通過計算可發現速度分布對時間與空間的平均值為零,而速度平方的平均 值則大於零(只要運動存在)。不難想象,速度平方的平均值越大所描寫的流體的複雜運動也越強烈。假設從宏觀上看速度分布對時間及對x,y坐標的周期很小, 此時這一精確解可以看作是宏觀上靜止卻有溫度的水的一個模型,其中水溫正比於速度平方的平均值。

參考文獻
[1] T.H.Solomon and J.P. Gollub, Chaotic particle transport in time-dependent Rayleigh-Benard convection , Physical Review A. Vol.38 No. 12, (1988) 6280-6286
[2] S. Wiggins, The dynamical systems approach to Lagrangian transport in oceanic flows, Annu. Rev. Fluid Mech. 37, (2005) 295–328.
[3] N. Malhotra and S. Wiggins, Geometric Structures, Lobe Dynamics, and Lagrangian Transport in Flows with Aperiodic Time-Dependence, with Applications to Rossby Wave Flow,J. Nonlinear Sci. Vol. 8: pp. 401–456 (1998)



註:以上博文曾在中國科學網上以標題《可描述布朗運動和擴散過程的Euler方程精確解》發表。
 
關於本站 | 廣告服務 | 聯繫我們 | 招聘信息 | 網站導航 | 隱私保護
Copyright (C) 1998-2026. Creaders.NET. All Rights Reserved.