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最怪异的流体行为,任意小的粘性,就会产生巨大的能量耗散

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纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokes Equations)是流体力学中的基本方程,描述了粘性流体的运动。这组方程由法国科学家克劳德·路易·马里·纳维埃和英国科学家乔治·斯托克斯在19世纪初独立推导出来,可以看作是欧拉方程在考虑粘性效应后的延伸。

欧拉方程是描述理想流体(即没有粘性的流体)运动的基本的方程,而纳维-斯托克斯方程则是描述有粘性的流体运动的基本方程,以下简记为N-S方程。这些方程在科学和工程上都是重要的,然而人们对它们的了解还很不够,它们是对数学的重大挑战。

为了描述这些方程,我们在欧几里得空间R^d中进行研究,这里d表示维数,是2或者3。设在点x=(x₁,…,xd)∈R^d处,以及时间t∈R时刻,流体具有速度向量

流体的压强则是

欧拉方程就是对于所有(x,t),

而N-S方程则是对于所有(x,t),

这里ν>0是一个摩擦系数,称为流体的“”。

本文中限于讨论不可压缩流体,就是说,除了要求适合方程(1)或(2)以外,还要求对于一切(x,t)适合

欧拉方程和N-S方程只不过就是把牛顿定律F= ma应用于流体的无穷小部分而已。事实上,很容易看到向量

就是流体的微元在位置x时刻t所经历的加速度。

在欧拉方程中,牛顿运动定律F= ma里的力F完全来自压强梯度,举例来说,如果压强随高度增加,则负梯度

指向下方,所以有一个净力驱使流体向下运动),但在N-S方程(2)中还有一个附加项

来自摩擦力。

N-S方程在许多各种各样的情况下都与对实际流体进行的实验十分符合。因为流体是很重要的,所以N-S方程也是很重要的。

欧拉方程只不过是N-S方程在v=0时的极限情况,但是我们将会看到,二者的解的性态很不相同,哪怕是ν很小时也是。

我们想要了解在初始条件,即对于所有x∈R^d

下,欧拉方程和(3)的解或者N-S方程和(3)的解,这里u⁰(x)是已给的初速度。为

了与(3)式相容,假设对于所有x∈R^4,

还有为了避免在物理上不合理的情况,例如无穷能量,还假设当

u⁰(x)以及具有固定的t的u(r,t)都“足够快”地趋于零。这里不解释“足够快”的确切意义是什么,但是从现在起就假设只讨论这种急速衰减的速度。

物理学家和工程师想要知道怎样有效而又快速地计算N-S方程(2)和(4)的解,并理解这些解的性态。数学家首先要问的是是否有解存在,如果有,又是否只有一个解。虽然欧拉方程已经有了300年的历史,N-S方程的历史也接近了200年,专家们对于N-S方程或者欧拉方程的解是否对于所有时间都存在,或者会发生“破裂",仍然没有共识。有严格证明支持的肯定的答案似乎还很遥远。

让我们把关于欧拉方程和N-S方程的“破裂问题”讲得更明确一点。方程(1)-(3)涉及了u(x,t)的一阶和二阶导数。假设(4)中的初始速度u⁰(x)具有一切阶数的导数

而且当x趋于无穷时,它们都“足够快”地趋于零,这些都是很自然的。于是我们要问,是否N-S方程(2)-(4)或者欧拉方程(1),(3)和(4)对于所有的x∈R^d和t>0都有解u(x,t)和p(x,t),使得对于所有的x∈R^d和t>0,导数

都存在(而且当x趋于无穷时,都“足够快”地趋于零)。具有这种性质的一对u和p称为欧拉方程或N-S方程的“光滑解”。谁也不知道(在3维情况下)这种解是否存在。我们知道有某个依赖于初始速度(4)的正的时刻T=T(u⁰)>0,使得欧拉方程或N-S方程有“光滑解”在x∈R^d,t∈[0,T)中存在。

在2维空间情况,可以取T=+∞,就是说对于2D欧拉或2D N-S不会发生“破裂”。在3维空间的情况,谁也不能排除有这样的可能:对于某个如上所述的T=T(u°),可以在区域

中找到欧拉方程或N-S方程的解u(r,t),p(x,t),它在此区域中光滑,但是有一个导数使得

这将意味着在越过时刻T以后就不会有光滑解了,我们就说3D欧拉或3D N-S在时刻T破裂。说不定对于3D欧拉以及/或者3D N-S真就发生了这样的事情,谁也不知道相信什么才好。

对于3D N-S以及3D欧拉,人们已经做出过不少计算机仿真。纳维-斯托克斯的仿真并没有显示出有破裂的证据,但是这可能只意味着会产生破裂的初速度u⁰极为罕见。3D欧拉的形态可能极为狂野,所以很难判断一项给定的数值研究是否表示发生了破裂。事实上,要完成一项可靠的3D欧拉的数值仿真,是难得出了名的事。

假设会发生破裂,并且研究这时N-S方程或欧拉方程解的性态,这是很有用的。例如设在时刻T<∞对于3D欧拉发生了破裂,Beale, Kato和Majda有一个定理断言,当t→T时“涡度”

会增长得这样快,使得积分

发散。这件事被用来指明某些声称证明了3D欧拉发生了破裂的计算机仿真其实是无效的。现在也知道当t接近一个有限的破裂时刻T时,涡度向量的方向会随着x的变化而狂野地变动。

(5)式的向量ω有很自然的物理意义:它表示在时刻t流体怎样绕着x点旋转。如果在x点处,在时刻t,放一个小涡轮,使它的轴的定向平行于w(x,t),则这个涡轮会被流体以角速度ω旋转起来。

对于3D N-S,Sverak最近有一个结果说,如果发生了破裂,则压强p(x,t)上下方均为无界。

1930年代,由勒雷首创地提出了一个非常有前途的思想:研究N-S方程的“弱解”。他的思想如下:初看起来,N-S方程(2)和(3)只有当u(x,t)和p(x,t)为充分光滑时才有意义,例如,我们可能希望u对x_j具有2阶导数,因为这种导数出现在(2)式的右方。然而,如果做形式的运算就会发现,(2)和(3)等价于下面的(2')和(3'),而在那里,即令u(x,t),p(x,t)很粗糙,也是有意义的。让我们先来看一下(2')和(3')是怎样导出来的,然后再来看它们的用处。

起点是以下的观察:R^n上的一个函数F恒等于零当且仅当对于每一个光滑的且在某一紧集合外恒为0的函数θ都有

把这一点说明用于方程(2)和(3),再作一点形式运算(即分部积分)就知道它们等价于

以及

更准确地说,给定任意的光滑的函数u(x,t)和p(x,t),方程(2)和(3)成立的充分必要条件是(2'),(3)对于任意光滑而且在R^3×(0,∞)的某个紧集合外恒为0的函数

O₁(x,t),θ₂(x,t),θ₃(x,t)和φ(x,t)

均成立。

称函数θ₁(x,t),θ₂(x,t),θ₃(x,t)和φ(x,t)为试验函数,而说u和p是3D N-S的弱解。因为在(2'),(3')中,所有的导数都是对于光滑的试验函数取的,所以它们对于很粗糙的函数u(x,t)和p(x,t)仍是有意义的。总结起来,我们有如下的结论:

一对光滑的(u,p)解出了3D N-S当且仅当它们是弱解,然而弱解的思想即令对于粗糙的(u,p)也是有意义的。

我们希望能按以下的步骤来应用弱解:

  1. 证明3D N-S在整个R^3×(0,∞)上有适当的弱解存在。
  2. 证明3D N-S的任意适当的弱解必定是光滑的。
  3. 由此得到结论,在步骤(1)中做出的适当弱解就是3D N-S在整个R^3×(0,∞)上的光滑解。

在这里“适当的”就是指“不太大的”,它的精确定义我们就略过不说了。

上面的计划对于某些有趣的偏微分方程是成功的,但是对于3D N-S,这个计划只部分地实现了,很久以来人们就知道如何构造出3D N-S的适当的弱解,但是其唯一性一直没有得到证明。感谢Sheffer,Lin, Caffarelli, Kohn和Nirenberg等人的工作,现在已经知道了,在一个具有小的分形维数的集合E之外,3D N-S的任一适当的弱解都是光滑的,即必定具有任意阶的导数。特别是E中不会包含曲线。要想排除破裂,就必须证明E是空集合。

对于欧拉方程,弱解仍是有意义的,但是Sheffer和Schnirelman举出的例子表明,它们的性态可能很奇怪。一个2维的流体在开始可能是平静的,后来不受任何外力的作用却突然在一个有界的空间区域里运动起来,然后又恢复平静。对于2D欧拉的弱解,这种行为可能会发生的。

除了上面讲过了的破裂问题以外,纳维-斯托克斯和欧拉方程还会引起一些其他的基本问题。设固定了3D N-S或3D欧拉的初始值u⁰(x),则在时刻t=0的能量是

对于v≥0,用

来表示以u⁰(x)为初速度,粘性为v的3D N-S的解。假设

在一切时间都存在(至少当v>0时如此)。则在t≥0时,

的能量是

以(1)-(3)为基础作一些初等的运算即得

特别是对于欧拉方程有v=0,因此(6)式给出,能量等于一个常数E_0,而只要解是存在的,它就与时间无关。

现在假设v很小,但不是零。由(6)式自然会猜想,当v很小时,

所以在很长的时间段里几乎是常数。然而数值试验和物理实验都强烈地指出并不如此。相反,似乎存在一个依赖于u⁰但是与v无关的T_0>0,使得流体的初始能量到了时刻T_0至少损失一半,而不论v多么小(当然要大于0)。

如果能够证明或否定这个结论是很重要的。我们需要理解,为什么这么小的粘性会产生如此大的能量耗散。

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