北大工学院陈十一教学等拓展了通行150年的开尔文定理

编纂：商伟

1869年，19世纪巨大迷信家William Thomson (Lord Kelvin) 发表了有名的速度环量守恒定律的论文。他的成果等同于19世纪另一位科学大师Hermann von Helmholtz在1858年证实的一个定理，这一论断当初称为开尔文-赫姆霍兹定理，它被用来说明良多主要的流体景象，如飞机升力的发生，湍流阻力和量子涡线在超流中的活动。

速度环量定理很轻易通过涡线的运动来懂得：旋转的柱状流体，如大气中的龙卷风或者浴缸下水口构成的漩涡都有涡束。开尔文-赫姆霍兹定理表明在流体粘性系数很小，或者说“粘性”可以忽略的情况下，涡线必须“和流体一起运动”。换句话说，不论流体运动如许庞杂和多么凌乱，最开端在流线上的流体质点在当前还会始终在那根涡线上。抽烟产生的烟圈就是一个很好的阐明。咱们之所以能用肉眼看到烟圈，是因为有烟尘在里面。开尔文-赫姆霍兹定理的作用使得涡线上的烟尘颗粒会一直“系”在涡线上，而逃不出烟圈。只有经由很长时光，烟才会消失掉，一方面是因为烟圈的扩展，另一方面是由于开尔文定理疏忽了轻微的扩散作用。个别以为，扩散作用越小，开尔文定理就越正确。

该结果预期将对工程、地球物理和天体物理中很多问题产生重大影响。这个新发现和等离子物理中的阿尔芬定理和奇异量子现象，如超流中的耗散相滑移和基础粒子物理中的守恒奇异性等相干。他们的工作结果已发表在今年10月6日的《物理评论快报》：

陈十一传授和他的研究团队发现这种预期是错的。开尔文定理在流体粘性系数趋近于零的情况下并不成立。在粘性系数很小的情形下，只管分子运动引起的涡量扩散很小，但是湍流也会应运而生，流体速度场变更十分激烈，并导致奇怪性，从而损坏了开尔文定理中流场平滑的潜含假设。这时湍流和速度场的奇异性成为扩散的重要因素。事实上，奇异性对守恒律的作用以前也有过相似的研究。1949年，耶鲁大学的化学家 Lars Onsager发现，因为流体奇异性的存在，经典的能量守恒定理在湍流中并不必定成破。Onsager的观点在当时并不被普遍接收，然而后来他的发明被数学家证明。当粘性系数趋近于零时，因为非线性动力学影响，流体能量会向小标准传递，因而湍流中仍会有能量耗散，这和量子场论中的守恒律奇异类似。量子电能源学里的轴向奇异性能够让介子演变成光子。

近日，北京大学工学院陈十一教学跟美国约翰霍普金斯大学以及洛斯阿拉莫斯国度试验室的研讨职员在流体湍流中拓展了这个定理，有着150年历史的Kelvin-Helmholtz定理在湍流中得到发展,人力资源课程。

他们指出经典的开尔文定理在流体湍流中将生效，从而必需采取他们的新实践。

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