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壓力是連續(xù)介質(zhì)力學的幽靈

嘉峪檢測網(wǎng)        2018-06-15 11:32

壓力,古老而經(jīng)典的概念,也是經(jīng)歷長期歷史檢驗的基本概念,其科學性是無可質(zhì)疑的。對它的精確測量奠定了它的基礎(chǔ)地位。

隨著對于湍流問題、流體動力學失穩(wěn)(分叉)、以及黏性系數(shù)在流動中表現(xiàn)出的復雜性,壓力成為一個依賴于很多因素(變量)的復雜函數(shù)。在大量的實驗數(shù)據(jù)中,壓力就象是一個幽靈,總是有它的某種作用在體現(xiàn)著。

 

在理想氣體動力學理論中,壓力可以用平均動能來解釋,也可以在統(tǒng)計熱力學上意義上用溫度來解釋。雖然在簡單理想條件下,這兩種解釋是等價的,但是,一旦向一般性連續(xù)介質(zhì)推廣,則有不同的壓力(拓展)概念。

 

在經(jīng)典的彈性力學中,可以認為最早的拓展是用應力張量概念把壓力概念廣義化。對于產(chǎn)生壓力變化的機制,彈性力學把原因歸結(jié)為應變。這是非常宏觀的大尺度拓展,從而壓力具有確定性運動的含義。這是區(qū)別于微觀的理想氣體解釋的。

 

而在流體力學中,基本沿用了理想氣體的概念,但是,補充了流體變形的應力張量(正比于應變速率),從而,在物性方程中,靜態(tài)壓力與變形應力是加法關(guān)系(邏輯上的等同)。這樣,壓力也拓展為一般應力張量概念。

 

就固體和流體而言,把壓力拓展為應力張量是共同的特征。固體把靜態(tài)壓力定義為零,而流體把靜態(tài)壓力定義為依賴于流動的函數(shù)。

 

對于復雜的氣體流動(可壓縮流動),早期的空氣動力學取變形應力為簡單的壓力(各向同性應力張量),與李導數(shù)意義下的加速力平衡(注意到,李導數(shù)中含有變形引起的有關(guān)項)。對于定常的一維流動,這個方程的解退化為佰努利壓力方程,則壓力就是動能的等價。從而是經(jīng)典壓力概念的確定性推廣(速度是確定性的宏觀流動速度)。由于李導數(shù)含有變形相關(guān)項,從而壓力既是速度的函數(shù),也是應變速率的函數(shù),雖然最終解是表現(xiàn)為壓力為速度的函數(shù),但是,這種關(guān)系是復雜的函數(shù)關(guān)系,從而簡單的佰努利壓力概念就失效了。

 

在使用NS方程時,最大的理論問題是:壓力作為獨立自變量函數(shù)時,只有3個分量的平衡方程,而速度場也有3個待定分量,從而缺乏一個定解方程。經(jīng)典的解決辦法是:

 

  1. 把壓力作為已知函數(shù),從而把問題封閉;

     

  2. 修改壓力的概念,把它假設為速度場(用佰努利壓力方程)或是密度場的函數(shù)(質(zhì)量守恒方程),用迭代求解法把問題封閉(這是數(shù)值解普遍采用的路線);

     

  3. 假設壓力項為常數(shù)。

 

無論那類近似,都把雷諾參數(shù)作為分類近似的依據(jù)。但是,對于給定介質(zhì),雷諾參數(shù)變化范圍可以在3個或6個數(shù)量級時,所有的各類論據(jù)都失效了。高雷諾數(shù)是湍流,低雷諾數(shù)是失穩(wěn),此類近似多多少少是與實驗數(shù)據(jù)沖突的。

 

目前,隨著實驗觀測數(shù)據(jù)的精度提高,以及觀測測量量的增加,對以上的3條路線越來越給出否定性的意見。從而,壓力成為一個幽靈。在湍流觀測數(shù)據(jù)中,壓力函數(shù)表現(xiàn)出的復雜性是令理論家倍感無力的。

 

目前實驗數(shù)據(jù)表明,壓力,依賴于速度項、依賴于應變速率(散度)項、依賴于局部微流動(旋度)項、依賴于介質(zhì)特征尺度、依賴于湍流參數(shù)(雷諾數(shù))、依賴于邊界條件、依賴于微量組分的添加等等。各類實驗觀測曲線紛紛出現(xiàn)。此類實驗報道文獻的一個特點是:回避抽象的理論解釋,也回避于經(jīng)典結(jié)果的沖突,而是著力于展現(xiàn)相關(guān)的函數(shù)關(guān)系(實驗曲線)。

 

在理論上看,把流體靜態(tài)壓力項與變形應力項簡單的相加肯定是問題的根本。需要在深層次上解決問題。

 

從科學發(fā)展的一般規(guī)律看,此類實驗數(shù)據(jù)的累積必將要求出現(xiàn)這樣的理論,它能解釋大多數(shù)實驗曲線的主要特征。這就是科學理論創(chuàng)新。

 

解決這個問題只能是把經(jīng)典理論拓展。拓展就意味著某種程度的修正或否定。對于理論家而言,消化巨量的實驗曲線需要巨大的研究量,而抽象出適當?shù)睦碚搫t是運氣,或頓悟所致,勞而無功的概率很大。即便是有所獲,巨量的專家對此一般的也是不屑一顧的。這就是,科學進步的艱難性(曲折性)。

 

由于此類問題源于實際的工業(yè)需求,推動著目前的用實驗曲線來滿足此類需求的實驗研究,從而,對于工業(yè)界而言,對于理論進步與否并不是那么在意。

 

從實驗學家的角度看,此類需求保證了實驗經(jīng)費的源源不斷,在目前的科研環(huán)境下,也沒有積極性去推動抽象的理論研究。而理論研究的困難導致理論研究者難于的到穩(wěn)定的經(jīng)費支持。

 

從而,客觀上,對于實際的工業(yè)最為迫切解決的理論問題,在目前的科研環(huán)境下,反而是研究工作量的投入不足。這就是國內(nèi)外的現(xiàn)實。

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來源:未知

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