ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В предыдущих пунктах нами рассмотрены возможности методов перенормировки при
создании теории турбулентности. Теперь мы сделаем попытку оценить успешность этих теорий.
Фактически это означает, что мы хотим сравнить их предсказания с результатами, полученными
из эксперимента. А под экспериментами будем подразумевать не только течения жидкости в
лабораторных условиях или в естественных природных условиях, но также результаты прямого
численного моделирования уравнений Навье-Стокса на компьютерах.
Можно заметить здесь, что экспериментальная ситуация далека от удовлетворительной.
Точность получаемых данных в этой области значительно меньше, чем в других сопоставимых
областях физики твердого тела. Как мы уже указывали, отдельные экспериментальные измерения
колмогоровской спектральной постоянной могут быть сделаны с тремя значащими цифрами, но
неопределенность возникает при сравнении результатов различных авторов. Фактически
экспериментальная область значений этой константы определяется неравенством 1,20 ≤ a ≤ 2,20,
хотя многие исследователи сходятся на значении a ≈ 1,5. (При этом существование закона «-5/3»
сомнения не вызывает.)
Мы только слегка затронем здесь вопросы сравнения. Более подробное рассмотрение
приведено в работе [МакКомб, 1990]. Кроме того, поскольку общая методология и даже цели RPT
и RG теорий отличаются очень сильно, будем проводить сравнения для них отдельно.
Все RPT теории являются отрезками второго порядка перенормированных пертурбативных
разложений. Существование перенормировки устраняет одну неопределенность, а именно:
неперенормированное примитивное пертурбативное разложение, как оказывается, перестает
действовать уже в низших порядках. Как мы видели ранее, такие разложения являются сильно
расходящимися по причине комбинаторного эффекта (число членов возрастает очень быстро с
порядком итераций), а также потому, что эффективным параметром разложения является число
Рейнольдса, которое очень велико. К сожалению, перенормировка не добавляет определенности, а
только вселяет надежду, что обрыв ряда на втором порядке может служить, в некотором смысле,
хорошей аппроксимацией к реально протекающим физическим процессам.
Сказав так, мы возвращаемся к положительным результатам, заметив прежде, что все
рассмотренные теории воспроизводят исходные симметрии уравнений Навье-Стокса в том
смысле, что они сохраняют энергию и импульс. По этой причине будем различать их по тому,
насколько правильно они описывают поведение в инерционной области. Надо подчеркнуть здесь,
что эти теории, по размерности, совместимы с колмогоровским спектром [Эдвардс, 1965], но те
теории, которые здесь отнесены к RPT теориям первого рода, дают в функции отклика
расходящийся в пределе бесконечных чисел Рейнольдса интеграл, что приводит к бесконечному
значению константы Колмогорова.
При проведении более общих количественных и качественных оценок RPT теорий мы
полагаемся на небольшое число исследований свободно затухающей турбулентности, в которой
начальный спектр считается заданным, а уравнения для функций отклика (или пропагатора)
решаются по времени вперед. Пионерской работой в этой области была работа Кречнана (1964с,
1965), затем следовали работы Геринга и Кречнана (1972, 1979), МакКомба и Шанмугасундарама
(1984), Кото, Канеды и Бекки (1988), МакКомба, Шанмугасундарама и Хатчинсона (1989),
МакКомба, Филипяка и Шанмугасундарама (1992).
Приведем здесь только представительный пример результатов подобных вычислений, и
ради удобства мы возьмем их из работы МакКомба и Шанмугасундарама (1984) и МакКомба и др.
(1992).
На рис. 12. продемонстрирован одномерный спектр для низких и умеренных чисел
Рейнольдса порядка R
λ
= 40, где R
λ
- число Тейлора-Рейнольдса, подсчитенное по
среднеквадратичной скорости и тейлоровскому микромасштабу, определенному формулой (79).
Продемонстрированные спектры определены для произвольных начальных условий с помощью
LET и DIA теорий. Они получены в условиях, когда все интегральные параметры достигают своей
постоянной величины. На этом рисунке полученные спектры сравнены с экспериментальными
результатами некоторых исследований. Можно видеть, что теории согласуются с экспериментом
очень хорошо, по крайней мере, так же хорошо, как и экспериментальные результаты согласуются
друг с другом.