Collaborative research: Turbulent cascades and regularity theory in physical scales of 3D incompressible fluid flows

合作研究:3D 不可压缩流体物理尺度中的湍流级联和规律性理论

基本信息

  • 批准号:
    1212023
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 20.25万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2012
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2012-09-01 至 2015-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Grujic, DMS-1212023Dascaliuc, DMS-1211413 The investigators aim to advance our understanding of the phenomenon of turbulence, as well as to offer new insights into the problem of possible singularity formations in 3D viscous incompressible fluids described by the 3D Navier-Stokes equations (NSE). The project extends their recent results regarding existence and locality of energy cascades, and anomalous dissipation in physical scales of the flow. The main goals are, on one hand, to present Onsager-critical Morrey-type conditions preventing anomalous dissipation in 3D incompressible flows and to discover a set of universal scaling laws -- reminiscent of the fundamental Kolmogorov K41 laws -- that naturally transpire from their theory of turbulent cascades in physical scales, and on the other hand, to present mathematical evidence of a geometric scenario closing the scaling gap in the regularity problem, that is, of the criticality of the 3D NSE problem for large data. The key idea is to use a new ensemble-averaging process capable of detecting significant sign fluctuations of the physical density of interest at the given scale. This approach is highly local in space and is applicable to flows that do not satisfy homogeneity and isotropy assumptions. In addition, it provides a framework for the study of geometrically coherent structures in physical space. In 2000, the Clay Mathematical Institute identified seven "Millennium Problems" in mathematics, solutions to which would have a broad impact on society in the 21st century. One of these problems is the task of providing a rigorous mathematical foundation (namely, addressing the possibilities of singularity formations) for the Navier-Stokes equations that describe the motion of fluids. Existence of singularities is a fundamental issue for mathematical modeling of any real-life phenomenon. In the case of Navier-Stokes equations this regularity problem is believed to be linked with the notion of turbulence. Despite successes in empirical modeling and computational techniques used to study turbulence, this phenomenon remains one of the unresolved fundamental problems of modern physics. Any measurable progress in understanding turbulence can have a broad impact in such areas as weather and climate modeling and engineering applications. On one hand, suppressing turbulence is essential in designing and engineering more efficient vehicles, wind turbines, pipeline systems. On the other hand, enhancing turbulent mixing is desired in a variety of nano-scale engineering designs, as well as in biomedical engineering -- one example being more efficient drug delivery systems. The project helps advance understanding of how to better predict and detect turbulent behavior, as well as possibly control it. The investigators engage graduate and undergraduate students in the project and present lectures on turbulence to local high school students.
研究人员的目标是推进我们对湍流现象的理解,并为三维Navier-Stokes方程(NSE)描述的三维粘性不可压缩流体中可能存在的奇点形成问题提供新的见解。该项目扩展了他们最近关于能量级联的存在和局部性以及流动物理尺度上的异常耗散的结果。主要目标是,一方面,提出防止三维不可压缩流动中的异常耗散的onsager临界morry型条件,并发现一组普遍的标度定律-让人想起基本的Kolmogorov K41定律-自然地从他们的物理尺度的湍流级联理论中产生,另一方面,提出一个几何场景的数学证据,关闭正则性问题中的标度差距,即,对于大数据的三维NSE问题的重要性。关键思想是使用一种新的集成平均过程,能够在给定尺度下检测感兴趣的物理密度的显着波动。这种方法在空间上是高度局部化的,适用于不满足均匀性和各向同性假设的流动。此外,它还为物理空间中几何相干结构的研究提供了一个框架。2000年,克莱数学研究所(Clay Mathematical Institute)确定了数学领域的七个“千年问题”,这些问题的解决方案将对21世纪的社会产生广泛影响。其中一个问题是为描述流体运动的Navier-Stokes方程提供严格的数学基础(即解决奇点形成的可能性)。奇点的存在性是任何现实现象数学建模的基本问题。在纳维-斯托克斯方程中,这种规律性问题被认为与湍流的概念有关。尽管在研究湍流的经验建模和计算技术方面取得了成功,但这种现象仍然是现代物理学中未解决的基本问题之一。在理解湍流方面的任何可衡量的进展都可以在天气和气候建模以及工程应用等领域产生广泛的影响。一方面,抑制湍流对于设计和制造更高效的车辆、风力涡轮机和管道系统至关重要。另一方面,在各种纳米级工程设计以及生物医学工程中都需要增强湍流混合,例如更有效的药物输送系统。该项目有助于进一步了解如何更好地预测和检测湍流行为,并可能控制它。研究人员让研究生和本科生参与该项目,并向当地高中生讲授湍流。

项目成果

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