NS方程

  Aaron ·  2008-11-08 10:39  ·  13772 次点击
简介NS方程,全称:纳维叶-斯托克斯(Navier-Stokes)方程,2000年5月24日,美国克莱数学研究所的科学顾问委员会把NS方程列为七个“千禧难题”(又称世界七大数学难题)之一,这七道问题被研究所认为是“重要的经典问题,经许多年仍未解决。”克雷数学研究所的董事会决定建立七百万美元的大奖基金,每个“千年大奖问题”的解决都可获得百万美元的奖励。另外六个“千年大奖问题”分别是:NP完全问题,霍奇猜想(Hodge),黎曼假设(Riemann),杨-米尔斯理论(Yang-Mills),庞加莱猜想和BSD猜想(BirchandSwinnerton-Dyer)。
目录
NS方程的存在性与光滑性
深度描述
其他数学难题的解决情况
相关人物
NS方程的存在性与光滑性
起伏的波浪跟随着我们的正在湖中蜿蜒穿梭的小船,湍急的气流跟随着我们的现代喷气式飞机的飞行。数学家和物理学家深信,无论是微风还是湍流,都可以通过理解NS方程的解,来对它们进行解释和预言。虽然这些方程是19世纪写下的,我们对它们的理解仍然极少。挑战在于对数学理论作出实质性的进展,使我们能解开隐藏在NS方程中的奥秘。
深度描述
描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程。简称N-S方程。因1821年由C.-L.-M.-H.纳维和1845年由G.G.斯托克斯分别导出而得名。在直角坐标系中,其矢量形式为=-Ñp+ρF+μΔv,式中ρ为流体密度,p为压强,u(u,v,w)为速度矢量,F(X,Y,Z)为作用于单位质量流体的彻体力,Ñ为哈密顿算子,Δ为拉普拉斯算子。后人在此基础上又导出适用于可压缩流体的N-S方程。N-S方程反映了粘性流体(又称真实流体)流动的基本力学规律,在流体力学中有十分重要的意义。它是一个非线性偏微分方程,求解非常困难和复杂,目前只有在某些十分简单的流动问题上能求得精确解;但在有些情况下,可以简化方程而得到近似解。例如当雷诺数Re1时,绕流物体边界层外,粘性力远小于惯性力,方程中粘性项可以忽略,N-S方程简化为理想流动中的欧拉方程(=-Ñp+ρF);而在边界层内,N-S方程又可简化为边界层方程,等等。在计算机问世和迅速发展以后,N-S方程的数值求解才有了很大的发展。
在解释纳维-斯托克斯方程的细节之前,首先,必须对流体作几个假设。第一个是流体是连续的。这强调它不包含形成内部的空隙,例如,溶解的气体的气泡,而且它不包含雾状粒子的聚合。另一个必要的假设是所有涉及到的场,全部是可微的,例如压强,速度,密度,温度,等等。该方程从质量,动量,和能量的守恒的基本原理导出。对此,有时必须考虑一个有限的任意体积,称为控制体积,在其上这些原理很容易应用。该有限体积记为Omega,而其表面记为partialOmega。该控制体积可以在空间中固定,也可能随着流体运动。
其他数学难题的解决情况
①庞加莱猜想:2006年6月3日,中国数学家曹怀东和邱成桐已补足了佩雷尔曼证明的漏洞,将庞加莱猜想完全证明!
②黎曼假设:很多人攻关,没看到希望
③霍奇猜想:进展不大
④杨—米尔理论:太难,几乎没人做
⑤P与NP问题:没什么进展
⑥BSD猜想:有希望破解
相关人物
斯托克斯,G。G(GeorgeGabrielstokes1819~1903)英国力学家、数学家。1819年8月13日生于斯克林,1903年2月1日卒于剑桥。
斯托克斯1849年起在剑桥大学任卢卡斯座教授,1851年当选皇家学会会员,1854年起任学会书记,30年后被选为皇家学会会长。斯托克斯为继I.牛顿之后任卢卡斯座教授、皇家学会书记、皇家学会会长这三项职务的第二个人。
斯托克斯的主要贡献是对粘性流体运动规律的研究。C.-L.-M.-H.纳维从分子假设出发,将L.欧拉关于流体运动方程推广,1821年获得带有一个反映粘性的常数的运动方程。1845年斯托克斯从改用连续系统的力学模型和牛顿关于粘性流体的物理规律出发,在《论运动中流体的内摩擦理论和弹性体平衡和运动的理论》中给出粘性流体运动的基本方程组,其中含有两个常数,这组方程后称纳维-斯托克斯方程,它是流体力学中最基本的方程组。1851年,斯托克斯在《流体内摩擦对摆运动的影响》的研究报告中提出球体在粘性流体中作较慢运动时受到的阻力的计算公式,指明阻力与流速和粘滞系数成比例,这是关于阻力的斯托斯公式。斯托克斯发现流体表面波的非线性特征,其波速依赖于波幅,并首次用摄动方法处理了非线性波问题(1847)。
斯托克斯对弹性力学也有研究,他指出各向同性弹性体中存在两种基本抗力,即体积压缩的抗力和对剪切的抗力,明确引入压缩刚度的剪切刚度(1845),证明弹性纵波是无旋容胀波,弹性横波是等容畸变波(1849)。
斯托克斯在数学方面以场论中关于线积分和面积分之间的一个转换公式(斯托克斯公式)而闻名。

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