Singularity of Navier-Stokes Equations Leading to Turbulence

层流 间断(语言学) 物理 Navier-Stokes方程的无量纲化和标度 湍流 纳维-斯托克斯方程组 奇点 数学 机械 数学分析 经典力学 雷诺平均Navier-Stokes方程 压缩性
作者
Hua-Shu Dou
出处
期刊:Cornell University - arXiv [Cornell University]
摘要

Singularity of Navier-Stokes equations is uncovered for the first time which explains the mechanism of transition of a smooth laminar flow to turbulence. It is found that when an inflection point is formed on the velocity profile in pressure driven flows, velocity discontinuity occurs at this point. Meanwhile, pressure pulse is produced at the discontinuity due to conservation of the total mechanical energy. This discontinuity makes the Navier-Stokes equations be singular and causes the flow to become indefinite. The analytical results show that the singularity of the Navier-Stokes equations is the cause of turbulent transition and the inherent mechanism of sustenance of fully developed turbulence. Since the velocity is not differentiable at the singularity, there exist no smooth and physically reasonable solutions of Navier-Stokes equations at high Reynolds number (beyond laminar flow). The negative spike of velocity and the pulse of pressure due to discontinuity have obtained agreement with experiments and simulations in literature qualitatively.

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