湍流

根据能量梯度理论，湍流是流体内部的奇点所产生的。

如“湍流是由于流动不稳定性”，“湍流产生是由于非线性引起的”。

还有审稿人要求作者应该按此理论的方向去做，才能解决湍流问题。

湍流问题本身就很难，而湍流领域里的若干理论和物理解释充满了太多的错误，所以湍流问题就更难。

（2）瞬态增长理论预测了在层流线性失稳之前，小扰动具有瞬态增长的特性，导致了扰动幅值在特征值为负的条件下会有所增长。

从那时起，到现在，又有60年过去了，可是大家认为，湍流的问题还是没有解决。

众所周知，湍流问题是经典物理学中没有得到解决的最后一个难题。

即使现在事实上湍流问题已经被“能量梯度理论”真正解决了【1-5】，由于湍流学术圈对过去的根深蒂固的湍流错误理论的坚持，正确的理论还不能很快地得到承认。

如果能解决湍流问题，其实一个理论就足够了。

如线性理论、随机运动、统计理论、线性理论（再次兴起）、非线性理论、弱非线性理论、混沌理论、二次失稳理论、瞬态增长理论，等等。

湍流问题100多年都没有解决，主要是一些错误理论及错误慨念的引领，这些错误的理论都是国际上最顶尖的著名专家做出的，他们的文章引用率都有上千次，几千次，而且有些错误的成果还获得了国际奖项。

过去140年以来，这些错误的理论统治和主导着湍流领域的研究方向，而大多数人又多是从事跟风的研究，人云亦云，缺乏独立创新的思考，缺乏质疑，所以湍流问题一直是物理学、数学和工程领域里面的难题。

因此，由于奇点是根据NS方程推导出来的，所以说奇点是引起湍流转捩的唯一机理【1-3,5】。

对槽道流动，圆管流动，平面Couette流动，边界层流动，Taylor-Couette流动等，在湍流转捩的临界条件下，都是这样的速度分布，无一例外（DNS/LES数据，实验数据）。

窦华书，线性稳定性理论在层流到湍流转捩中的应用问题，https:

图1是作者课题组最近做的圆球尾迹里面的湍流转捩数值模拟研究结果（LES）。

文献中在1990年代和2000年代初，有若干位国际湍流专家认为在壁面流动中，壁面附近的低速条带（streak）的不稳定性是引起湍流转捩的主要原因，而条带结构是湍流的主要结构（Hussain为代表，见Marusic2010POFreview;

（二）湍流研究的物理机理方面的4项错误概念

因此，有的文献中说的壁面产生湍流的说法都是错误的。

而且还会不断地有人继续用计算流体力学（CFD）和实验证明低速条带结构是怎么控制湍流发展的。

（2）壁面产生湍流的说法都是错误的

（2）壁面产生湍流的说法是错误的。

在湍流结构形成之后，可以认为形成了这样的循环：流向涡--低速流体上升--剪切层--奇点（速度间断）--射流--流向涡(被加强)。

既然有壁面的流动和没有壁面的尾迹，产生湍流的结构都是发卡涡结构，湍流产生都是上抛和下掠，那么有没有壁面都能维持湍流，那么壁面在湍流产生和维持方面能起什么关键作用呢？

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大家可以搜一下，坚持和采用瞬态增长理论的湍流专家，在上世纪末和新世纪初的20年，占据了国际流体力学湍流研究的半壁江山，在JFM和POF,PRL等国际期刊，有大量的论文发表及其引领。

今天的文章主要指出了湍流研究领域里的2项错误。

举个例子，一个人得了肺炎发烧，医生认为发烧就开出了退烧药，结果服药后体温从40度降低到了38度，你就认为根治了发烧、药到病除了？

”要知道，他是研究壁面条带streak不稳定性30多年的国际顶级专家，就此问题曾经发表了几十篇JFM和POF论文，其中3篇著名的JFM论文，就是论述壁面低速条带对湍流产生的作用的，1991和1999的两篇论文分别被引用1502和1055次，2018的JFMPerspective论文被引用501次。

凭此奖项，他就是当今国际湍流研究方面的最顶级专家之一。

特别诡异的是，近30年来，世界各地的湍流研究者，都纷纷验证了这个错误的低速条带学说，还都发表在了国际顶级期刊上了，还被得到了广泛引用。

这就是要对自己做出的重大创新发现，要有自信，对的东西就要坚持自己的主见，尽管因为作者指出了湍流研究中的若干错误，曾被流体力学顶级期刊多次拒稿。

为什么作者能够指出湍流研究中的这些错误呢？

今天指出了湍流研究领域里的4项错误。

造成湍流研究中诸多错误，是由于早期湍流数据太少，没有理论，实验手段低，测量不够精确，对湍流理解太贫乏。

100多年的时间里，湍流的研究方向在几个方面来回徘徊。

如“湍流是由于流动不稳定性”，“湍流产生是由于非线性引起的”。

这里不是要去贬低任何人，实际上过去50年来直到现在，在读者心中湍流研究就是处于这样的状态。

当我们在读本科生和硕士研究生时，就已经根深蒂固地学习和灌入了这样的先入为主的理论知识，以至于博士阶段和博士后阶段，都是顺着这样的思路进行着湍流的研究。

湍流产生需要涡量突变。

从1883年的雷诺圆管实验算起，过去140年以来，在湍流研究领域里，最不靠谱，最不科学的研究方法就是所用的预测湍流转捩的临界雷诺数的方法，这也是我们从研究生课程，从教科书上学到的内容，包括上面提到的诸多理论，包括各种线性的和非线性的理论。

但是对于圆管流动，不管雷诺数多么大，一直到雷诺数无穷大，特征值永远是负的，流动失稳又不能解释了，这个问题对于作者就像对湍流研究的前辈们那样，整天为此困惑中。

所以若干位湍流研究的前辈们像著名的物理学家海森堡、应用数学天才林家翘和JFM的主编Batchelor那样就趁着年轻早早选择改行了！

窦华书：湍流研究的物理机理方面的4项错误概念窦华书：湍流研究的物理机理方面的4项错误概念精选

这种理论不仅用在了湍流转捩中，而且也用来研究完全发展的湍流流动。

既然所有湍流流动都可以用同一个NS方程来求解，来描述，那么，湍流产生的机理就应该是唯一的【1】。

（1）湍流的壁面条带不稳定性学说是错误的

预测湍流转捩的方法，要包含转捩过程中非定常的流动变化的物理特性和过程发展，这样才能切中问题的实质，才有可能得到与实际的湍流发生相一致的结果。

但是瞬态增长理论并不能取得与实验数据的一致性，也不能解释湍流产生和湍流转捩的物理机理，更不能解释湍流的Kolmogorov的能量级串现象。

因为这些理论都是基于线性扰动的发展，而湍流产生和湍流转捩都是非线性扰动所导致的，只有非线性作用才能产生奇点，才能引起湍流转捩【1】，所以这些理论与湍流转捩都没有直接关系。

现在看来，瞬态增长理论，与原始的线性稳定性理论一样，对湍流产生及湍流转捩的预测结果，都是错误的。

（四）湍流产生/湍流转捩是由于非线性作用导致的NS方程的奇点出现

实验研究和数值模拟，包括直接数值模拟（DNS）与大涡模拟（LES），都显示了湍流产生和湍流转捩是由NS方程的奇点（速度间断）所导致的（即猝发Burst）。

对于湍流产生，粘性是必要的，没有粘性就不能产生奇点。

能量梯度理论和数值模拟研究表明，尾迹流动里面的湍流产生/湍流转捩过程和机理与壁面流动里面的完全相同。

能量梯度理论解释了湍流由奇点产生，湍流大涡的能量通过奇点爆发从主流输入，奇点通过bifurcation逐级产生了小涡（解释了K41的标度律），第一级奇点的流向分布成为了拟序结构的来源，奇点之间的部分成为了间歇区，奇点是引起剪切层失稳导致猝发循环过程产生的原因（上抛和下掠），奇点引起的猝发成为了湍流维持的动力源泉，奇点解释了雷诺数趋于无穷大时的反常耗散，解释了为什么平面Couette流动和Taylor-Couette流动中，湍流产生都是从流道中心位置开始，等等。

重申一下，根据能量梯度理论得到的准则：湍流产生/湍流转捩的必要及充分条件是流场中出现NS方程的奇点【1】。

（b）瞬态增长理论用来预测湍流转捩的错误。

具体是怎么流动不稳定性或非线性影响引起湍流产生，详细的细节却没有，实际上就是对湍流产生的详细物理机理仍不清楚。

我们首次发现，Taylor-Couette流动的转捩过程中，湍流产生从流道中心位置开始。