纳维斯托克斯方程解出来了吗♥ 纳维

一、纳维-斯托克斯方程为什么被称为数学史最复杂的公式

纳维斯托克斯方程解出来了吗♥ 纳维-斯托克斯方程为什么被称为数学史最复杂的公式

1、相比起黎曼猜想、费马大定理、哥德巴赫猜想等全球知名的难题，纳维-斯托克斯方程的存在感很低，即使在世界千禧年七大难题里，也很少会有人提及，最重要的缘由就是，这个难题真实是不太好了解，尤其关于普通人而言，甚至名列榜首的P/NP效果普通人都可以揣摩到一些，但就是很难了解纳维—斯托克斯方程，这也是为什么民科很少触及这个效果的缘由。

2、大家可以看看百度百科上对这个难题的描画：

3、坎坷的波浪跟随着我们的正在湖中弯曲穿越的小船，湍急的气流跟随着我们的现代喷气式飞机的飞行。数学家和物理学家坚信，无论是和风还是湍流，都可以经过了解纳维-斯托克斯方程的解，来对它们停止解释和预言。虽然这些方程是19世纪写下的，我们对它们的了解依然极少。应战在于对数学实际作出实质性的停顿，使我们能解开隐藏在纳维叶－斯托克斯方程中的微妙。

4、没头没尾，你甚至在这段话里都很难推测出这个难题终究描画的是什么效果，流显露一股玄学的效果，明天我们就来聊聊纳维-斯托克斯方程。

5、这个方程并不是一团体提出来的，1775年，著名数学家欧拉，对，没有错就是数学界四大天王欧拉，他如今又来掺和流体力学了，他在《流体运动的普通原理》一书中依据无粘性流体运动时流体所受的力和动质变化从而推导出了一组方程。

6、方程如下：(ax?D?+bxD+c）y=f(x）（只是其中一种方式，还有泛函极值条件的微分表达式等），这是属于无粘性流体动力学（理想流体力学）中最重要的基本方程，是指对无粘性流体微团运用牛顿第二定律失掉的运动微分方程，它描画理想流体的运动规律。奠定了理想流体力学基础。

7、粘性流体是指粘性效应不可疏忽的流体。自然界中的实践流体都是具有粘性，所以实践流体又称粘性流体，是指流体质点间可流层间因相对运动而发生摩擦力而对立相对运动的性质。

8、1821年，著名工程师纳维推行了欧拉的流体运动方程，思索了分子间的作用力，从而树立了流体平衡和运动的基本方程。方程中只含有一个粘性常数。

9、1845年斯托克斯从延续统的模型动身，改良了他的流体力学运动方程，失掉有两个粘性常数的粘性流体运动方程的直角坐标重量方式，这就是后世所说的纳维-斯托克斯方程。

10、纳维-斯托克斯方程有很多种表达方式

11、解释纳维-斯托克斯方程的细节之前，首先，必需对流体作几个假定。第一个是流体是延续的。这强调它不包括构成外部的空隙，例如，溶解的气体气泡，而且它不包括雾状粒子的聚合。另一个必要的假定是一切触及到的场，全部是可微的，例如压强P，速度v，密度ρ，温度Q等等。该方程从质量，动量守恒，和能量守恒的基本原理导出。

12、对此，有时必需思索一个有限的恣意体积，称为控制体积，在其上这些原理很容易运用。该有限体积记为ω，而其外表记为?ω。该控制体积可以在空间中固定，也能够随着流体运动。

13、可以说纳维-斯托克斯方程是众多迷信家和工程师的推进下发生的，是一组描画像液体和空气这样的流体物质的方程。这些方程树立了流体的粒子动量的改动率（力）和作用在液体外部的压力的变化和耗散粘滞力（相似于摩擦力）以及引力之间的关系。这些粘滞力发生于分子的相互作用，能通知我们液体有多粘。这样，纳维-斯托克斯方程描画作用于液体恣意给定区域的力的静态平衡。

14、在流体力学中，有很多方程，但很多方程都和纳维尔-斯托克斯方程有着联络，纳维-斯托克斯方程可以说描画了流体范围的大局部条件，当然了，该方程也有其适用范围，该方程只适用于牛顿流体。

15、什么是牛顿流体呢？复杂说就是：任一点上的剪应力都同剪切变形速率呈线性函数关系的流体。普通高黏度的流体是不满足这种关系的，说明牛顿流体和非牛顿流体有个复杂的例子就是大家熟知的虹吸现象。在低黏度下，虹吸要停止下去，吸取口必需在页面以下，但非牛顿流体的高黏度流体下，吸取口哪怕高于液面，其虹吸依然可以停止，由于黏度太大了。

16、而关于工程运用来说，大局部状况还是处置牛顿流体，或许可以近似为牛顿流体。可以说，该方程在流体力学中起着基础性的作用，但也起着决议性的作用。

17、关于这组方程所触及的难题就是，如何用数学实际说明这组方程。对，甚至用数学实际说明用于描画奇特黑洞的爱因斯坦场方程都会比论述纳维-斯托克斯方程更复杂一些。

18、所以有关纳维-斯托克斯方程其解的数学性质有关的数学效果被称为纳维-斯托克斯方程解的存在性与润滑性。

19、虽然纳维-斯托克斯方程可以描画空间中流体（液体或气体）的运动。纳维-斯托克斯方程式的解可以用到许多实践运用的范围中。比如可以运用到模拟天气，洋流，管道中的水流，星系中恒星的运动，翼型周围的气流。它们也可以用于飞行器和车辆的设计，血液循环的研讨，电站的设计，污染效应的剖析等等。

20、不过目前关于纳维－斯托克斯方程式解的实际研讨还是缺乏，尤其纳维－斯托克斯方程式的解常会包括紊流。

21、紊流又称湍流，是流体的一种活动形状。当流速很小时，流体分层活动，互不混合，称为层流，或称为片糖；逐渐添加流速，流体的流线末尾出现波状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的添加而添加，此种流况称为过渡流；当流速添加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，称为湍流，又称为乱流、扰流或紊流。（飞机最怕遇见湍流）

22、虽然紊流在迷信及工程中十分的重要，但是紊流无序性、耗能性、分散性。至今仍是未处置的物理学效果之一。

23、另外，许多纳维－斯托克斯方程式解的基本性质也都尚未被证明。由于纳维-斯托克斯方程依赖微分方程来描画流体的运动。不同于代数方程，这些方程不寻求树立所研讨的变量（譬如速度和压力）的关系，而寻求树立这些量的变化率或通量之间的关系。用数学术语来讲，这些变化率对应于变量的导数。其中，最复杂状况的0粘滞度的理想流体的纳维-斯托克斯方程标明，减速度（速度的导数，或许说变化率）是和外部压力的导数成正比的。

24、这表示关于给定的物理效果，至少要用微积分才可以求得其纳维-斯托克斯方程的解。适用上，也只要最复杂的状况才干用这种方法取得已知解。这些状况通常触及波静态（流场不随时间变化）的非紊流，其中流体的粘滞系数很大或许其速度很小（低雷诺数）。

25、关于更复杂的情形，例如厄尔尼诺这样的全球性气候系统或机翼的升力，纳维-斯托克斯方程的解必需借助计算机才干求得。这个迷信范围称为计算流体力学。

26、例如数学家就尚未证明在三维座标，特定的初始条件下，纳维－斯托克斯方程式能否有契合润滑性的解。也尚未证明若这样的解存在时，其动能有其上下界。

27、而千禧年关于纳维－斯托克斯方程的效果则更为困难，它给出的效果是：在三维的空间及时间下，给定一同始的速度场，存在一向量的速度场及纯量的压强场，为纳维－斯托克斯方程式的解，其中速度场及压强场需满足润滑及全局定义的特性。

28、留意，世界千禧年七大数学效果中每个数学效果的官方陈说除了P/NP效果之外，都是由此范围或许在此效果上做出过效果的菲尔兹奖得主停止撰写，确保可以精炼概括出效果，从而保证效果的严谨性，而P/NP效果由于触及到计算机方面，所以官方陈说是由图灵奖得主斯蒂芬·库克撰写，纳维-斯托克斯方程存在性与润滑性。查尔斯·费夫曼撰写的官方陈说

29、假设你没有方法了解，你可以复杂了解成，迷信家希望可以找出纳维－斯托克斯方程的通解，也就是说证明方程的解总是存在。换句话说，这组方程能否描画任何流体，在任何起始条件下，未来任一时间点的状况。

30、一组用数学实际说明都困难的方程组，你还需求去证明这个方程的解总是存在。这让许多迷信家为之解体。

31、目前来说，目前只要大约一百多个特解被解出来。而数学家让·勒雷在1934年时证明了所谓纳维-斯托克斯效果弱解的存在，此解在平均值上满足纳维-斯托克斯效果，但无法在每一点上满足。

32、而自此之后，关于纳维-斯托克斯效果的研讨就停滞不前，所以它也被称为最难的数学或物理公式，直到

33、 80年以后，陶哲轩在纳维-斯托克斯效果上宣布了文章《Finite time blowup for an averaged

34、three-dimensional Navier-Stokes

35、equation》，他的主要目的是将纳维－斯托克斯方程全局正则性效果的超临界形状屏障方式化。粗略地说，就是抽像地树立纳维－斯托克斯方程的全局正则性是不能够的。陶哲轩以为，置信笼统方法（基於能量等式的泛函剖析方法比如半群等）和地道的谐和剖析应该是不够用的，能够必需要用到NS方程的特殊几何比如vorticity，这篇文章就是结构了一个相似于NS方程、但不是原先的NS方程的一个反例。

36、他说，想象一下假设有人异常聪明，地道用水发明了一台机器，它并不由杆和齿轮而是由相互作用的水流构成。陶边说着边像魔术师般用手在空中比划出一个外形。想象一下这台机器可以copy出另一个更小速度更快的自己，接着这个更小速度更快的又copy出另一个，不时继续下去，直到在一个庞大的空间到达了有限的速度，从而引发了爆炸。陶笑着说到他并不是提议真的创立这样一台机器，这只是一个思想实验，就像爱因斯坦导出狭义相对论。但是，陶解释到，假设可以从数学上证明在准绳上没有什么可以阻止这个巧妙装置运转，那么这便意味着水实践上会爆炸。而且在这个进程中，他也会处置纳维－斯托克斯方程的存在性与润滑性的效果。

37、无论怎样样来说，在不时处置纳维－斯托克斯方程的进程中，有数新的数学工具数学方法随之降生，引领着数学不时行进开展。这就是这些难题猜想存在的意义。

二、纳维-斯托克斯方程是什么

1、描画粘性不可紧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.斯托克斯区分导出而得名.在直角坐标系中,可表达为如图所示!其矢量方式为＝－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.先人在此基础上又导出适用于可紧缩流体的N-S方程.N-S方程反映了粘性流体（又称真实流体）活动的基本力学规律,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,求解十分困难和复杂,目前只要在某些十分复杂的活动效果上能求得准确解；但在有些状况下,可以简化方程而失掉近似解.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,方程中粘性项可以疏忽,N-S方程简化为理想活动中的欧拉方程（＝－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开展以后,N-S方程的数值求解才有了很大的开展.

2、在解释纳维-斯托克斯方程的细节之前,首先,必需对流体作几个假定.第一个是流体是延续的.这强调它不包括构成外部的空隙,例如,溶解的气体的气泡,而且它不包括雾状粒子的聚合.另一个必要的假定是一切触及到的场,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,有时必需思索一个有限的恣意体积,称为控制体积,在其上这些原理很容易运用.该有限体积记为\Omega,而其外表记为\partial\Omega.该控制体积可以在空间中固定,也能够随着流体运动.

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