流體力學的頂級流量

之前,我們和大家聊到1961年在馬賽舉辦的湍流理論的會議,老神仙柯爾莫果洛夫親自解釋了K41理論在描述湍流時的缺陷,讓剛剛邁入不惑之年的Batchelor感到了一絲沮喪,更對Batchelor理想中的湍流大一統理論蒙上了一層陰影。


后湍流理論的時代,且看Batchelor如何在山重水復疑無路的時候,尋找到柳暗花明又一村。

放下科研,留下經典


在1960年之前,Batchelor花了15年的時間研究湍流理論。然而隨著對湍流的研究不斷深入,Batchelor也逐漸感覺到,想要用確定的理論來描述湍流幾乎是不可能的。人過中年的Batchelor因此感到一些失落,想要切換到其他的研究方向,可是湍流問題仍然縈繞在他的心頭。此時的Batchelor或許無論切換到哪個科研方向,都沒有辦法完全忘記湍流。


直男們說“治愈失戀最好的方法就是開始一段新的戀愛”。此時的Batchelor做了一個最正確的選擇,暫時的放下科研,開始整理他在劍橋大學教授流體力學的經驗,并打算寫成一本關于流體力學的書籍。隨著時間的推移和思索的不斷深入,Batchelor愈發覺得有足夠的內容需要精雕細琢,他幾乎完全放下了對湍流的執念。


流體力學的頂級流量的圖1


于是,一本流體力學書籍《An Introduction to Fluid Dynamics》在1967年問世,成為了經典中的經典。不過需要說明的是,Batchelor畢竟是湍流理論和應用數學的大師,因此Batchelor眼中的流體力學仍然是物理和數學的完美結合。所以Batchelor的書需要一定的數學功底和流體力學的知識才能更好的理解。

科研的下一個路口


寫完《An Introduction to Fluid Dynamics》這本書之后,Batchelor忽然發現自己已經沒有在進行中的科研項目了。果然“世上無難事,只要會逃避”,估計Batchelor這時也是心情大好,終于可以不用研究湍流啦,是時候切換到全新的研究方向了。


流體力學的頂級流量的圖2


在寫書的時候,Batchelor發現低雷諾數流動中,小顆粒在粘性流體中稀釋擴散的有效粘度問題還不夠明確。Batchelor翻閱了很多資料,發現大家普遍認可的結論仍然是愛因斯坦在1906年給出的結果:小顆粒擴散的有效粘度可以通過顆粒的體積分數c來表示為μ(1+2.5c),通常情況下,c很小,粒子不會在流體中產生相互作用。因此,計算粒子的存在引起的額外耗散是獲得有效粘度的最佳方法。


流體力學的頂級流量的圖3


Batchelor進一步研讀了愛因斯坦的文章,他發現愛因斯坦沒有計算由于一個粒子的存在而產生的總附加耗散的體積積分,而是在分析中使用了另一個類似的非絕對收斂積分,有效粘度取決于這兩個積分之間的差。愛因斯坦的思路沒有問題,但他的證明在形式上是有缺陷的,因為它涉及到對無法賦值的量的操縱。


Batchelor震驚之余,也有一些小小的喜悅,他發現了一個非常有價值的研究方向,于是他搜索了大量的文章,確定該領域沒有已知的通用方法來繞過它們,而且對小顆粒在流體中的擴散特性的研究也很少。

Batchelor知道小顆粒擴散與氣溶膠、沉降、布朗運動、流變學和復合材料等學科有關,于是他很興奮的將這個領域作為自己全新的研究方向。Batchelor的研究思路也借用了湍流理論的思想,他認為,首要任務是先確定其中一個粒子附近的流場,然后對所有粒子進行適當的加權平均,通過統計的方法求解擴散以及擴散的有效粘度問題。

流體力學的頂級流量的圖4
流體力學的頂級流量的圖5


Batchelor在隨后十幾年的時間里取得了諸多的研究成果,并發表了許多經典的論文,如《The effect of Brownian motion on the bulk stress in a suspension of spherical particles》、《Sedimentation in a dilute dispersion of spheres》和《Brownian diffusion of particles with hydrodynamic interaction》等,更讓Batchelor欣慰的是,他的工作引領了很多的學者一起參與到了這個領域,并形成了很多經典的書籍和文章。


柳暗花明又一村


如果大家在搜索Batchelor的論文的時候,會發現一個有意思的現象。他的絕大部分論文都發表在了流體力學的頂刊JFM(Journal of Fluid Mechanics)上面了。對于我們普通人來說,JFM當然是頂級流量,但是對于JFM的創辦者來說,發個論文大概和我們在校報上面發個失物招領一樣容易吧。


后湍流理論時代,Batchelor在流體研究之余,將大量的時間投入到了另外一項重要的工作,也就是他從1956開始創辦的流體力學期刊JFM,Batchelor也親自擔任了JFM的主編長達40年之久,而JFM也憑借著一如既往的高水準成為了流體力學領域當之無愧的頂流。



流體力學的頂級流量的圖6


JFM創刊至今65年,前面2/3的時光里都屬于Batchelor。盡管作為一名主編,Batchelor每天要面對無數來自全世界各地的論文投稿,工作極其繁重辛苦。然而作為流體力學的大師,Batchelor又是深愛著這個行業,每天可以通過論文和全世界的學者交流,并能夠了解流體力學最新的動態也讓Batchelor感到非常興奮。也正是源于這份熱愛,Batchelor才能夠四十年如一日的堅守在這份崗位上。


Batchelor對于流體力學的熱愛, 使得他時刻關注著流體力學的發展。而整個流體力學領域的創造和發展無時無刻不在滿足Batchelor充滿好奇的心。Batchelor曾經在一個訪談中聊到過這段和湍流一樣充滿驚喜的經歷,他說,在1970年代,雙擴散對流和表面波風力發電是JFM論文中的熱門新話題,然而到了90年,混沌對流和湍流中相干結構的發展成為大家追逐的對象。作為JFM的主編,Batchelor獲得了比一般人對流體更多的理解和視野。這也讓Batchelor在湍流理論研究的沮喪之外看到了“柳暗花明又一村”。


說起JFM,還有一個有趣的事情值得一提,和Batchelor生于同年的美國物理學家John Wilder Miles在職業生涯中共發表400多篇論文,其中有117篇發表在了JFM上。小編再忍不住輕輕感嘆一下,大神在頂刊上面發文章居然比我們在BBS上灌水還要容易。John Miles是美國加利福尼亞大學斯克里普斯海洋研究所應用力學和地球物理研究所名譽教授,他因在理論流體力學方面的開創性工作而廣受贊譽。





后記

盡管在不惑之年,Batchelor追逐了15年的湍流理論遇到了阻力,連自己的偶像也承認了湍流理論的困境。Batchelor感到沮喪之余,卻并沒有灰心,而是選擇了另外一種心境,從而成就了流體領域的經典和頂流,這份豁達值得我們欽佩和學習。


看似遠在天邊的湍流理論大師Batchelor曾經兩次到訪中國,而Batchelor和他背后的劍橋學派也與許多中國學者有著密切的交往。

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