Решение проблемы турбулентности, отсутствие аналитического решения уравнений Навье-Стокса / The solution to the pboblem of turbulence, lack of analytical solution of navier-stokes equations - страница 2
Анри Навье в работе [3] при формулировке уравнений движения жидкости исходил из записи для одной точки пространства сплошной среды.
Ландау называет представления Анри Навье модельными [2,с.73] (в сноске).
Покажем модель физической картины течения, на которой основаны уравнения Навье:
То, что описывается этой моделью, для этого может быть найдено решение уравнений Навье-Стокса. Этой моделью прекрасно можно описать частные случаи.
Сравним модель движения из работы А.Навье с моделью турбулентности, предложенной А.Н. Колмогоровым.
Модель Колмогорова:
Некоторые авторы указывают, что уравнения Навье-Стокса содержит турбулентность. Как видно, это не так. Уравнения Навье-Стокса могут быть применены на самом низком уровне модели Колмогорова. В целом, модель Анри Навье физически некорректна по сравнению с верной моделью Колмогорова. О её верности отметил Ландау [1,с.296] (на рассмотрении присутствовал Капица).
Главная проблема – уравнения Навье не предназначены для турбулентности и решения на пространстве R3, где турбулентность по-умолчанию есть (хотя и не оговаривается).
Метод DNS работает почти как модель Колмогорова, только энергия считается не сверху вниз, а снизу вверх (от ячеек до интегрального масштаба). Отсюда видно, почему численно легко уравнения Навье-Стокса решаются по DNS.
Объем, для которого составляются уравнения Навье-Стокса выбран с минимальными размерами, обеспечивающими сплошность среды. Однако это не принципиально. Очевидно, что куб несопоставимо меньше пространства R3.
Для куба описание физического процесса состоит в описании поступления в него и выхода из него жидкости, а также влияния вязкости.
Для пространства R3 со сложной структурой турбулентного течения физический процесс намного более сложен и для его описания недостаточно тех описаний, которые применены для куба при выводе уравнений Навье-Стокса!
В существующих попытках решения уравнений Навье-Стокса пространство R3 условно разбивают (дискретизируют) сеткой с кубичиескими элементами.
Попытки аналитического решения, например, в работе [4], сводятся к назначению граничных условий для уравнений и поиску решений.
Граничные условия для куба со сторонами x, y, x и шагом Q записываютcя в виде:
Очевидно, что движение жидкости в пространстве R3 и в любом пространстве, моделью Навье и его представлениями не описывается. Область вокруг точки не превышает колмогоровского масштаба.