view in publisher's site

Turbulence theories and statistical closure approaches

When discussing research in physics and in science more generally, it is common to ascribe equal importance to the three components of the scientific trinity: theoretical, experimental, and computational studies. This review will explore the future of modern turbulence theory by tracing its history, which began in earnest with Kolmogorov’s 1941 analysis of turbulence cascade and inertial range [A.N. Kolmogorov, Dokl. Akad. Nauk SSSR, 30, 299, (1941); 32, 19, (1941)]. The 80th Anniversary of Kolmogorov’s landmark study is a welcome opportunity to survey the achievements and evaluate the future of the theoretical approach of turbulence research. Over the years, turbulence theories have been critically important in laying the foundation of our understanding of the nature of turbulent flows. In particular, the Direct Interaction Approximation (DIA) [R.H. Kraichnan, J. Fluid Mech., 5, 497 (1959)] and its subsequent development, known as the statistical closure approach, can be identified as perhaps the most profound single advancement. The remarkable success of the statistical closure has furnished a platform to study such essential concepts as the energy transfer process and interacting scales, and the roles of the straining and sweeping motions. More recently, the quasi-Lagrangian formulation of V. L’vov & I. Procaccia and Kraichnan’s solvable passive scalar model provided powerful ways to explore another fundamental aspect of turbulent flows, the phenomena of intermittency, and the associated anomalous scaling exponents. In the meantime, the theory of fluid equilibria has been developed to describe the large-scale structures that can emerge from turbulent cascades of two-dimensional and geophysical flows at a later time. And yet, despite all these successes, analytical treatments suffer from mathematical complexities. As a result, the utility of theoretical approaches has been limited to relatively idealized flows. On the other hand, in recent decades, computational abilities and experimental facilities have reached an unprecedented scale. Looking beyond the horizon, the imminent deployment of exascale supercomputers will generate complete datasets of the entire flow field of key benchmark flows, allowing researchers to extract additional measurements concerning fully developed, complex turbulent flow fields far beyond those available from the statistical closure theories. Some other developments that could potentially influence the future course of turbulence theories include the advancement of machine learning, artificial intelligence, and data science; likely disruptions arising from the advent of quantum computation; and the increasingly prominent role of turbulence research in providing more accurate climate scientific data. Turbulence theorists can leverage these developments by asking the right questions and developing advanced, sophisticated frameworks that will be able to predict and correlate vast amounts of data from the other two components of the trinity.

نظریه‌های آشفتگی و رویکردهای خاتمه آماری

هنگام بحث در مورد پژوهش در فیزیک و علوم به طور کلی‌تر، معمول است که اهمیت یکسانی به سه مولفه سه‌گانه علمی نسبت داده شود: مطالعات نظری، تجربی و محاسباتی. این بررسی آینده نظریه آشفتگی مدرن را با دنبال کردن تاریخچه آن بررسی خواهد کرد، که به صورت جدی با تحلیل آبشار آشفتگی کولموگوروف ۱۹۴۱ و دامنه اینرسی شروع شد. Akad. SSR، ۳۰، ۲۹۹، (۱۹۴۱)؛ ۳۲، ۱۹، (۱۹۴۱)]. هشتادمین سالگرد مطالعه تاریخی کولموگوروف یک فرصت خوشایند برای بررسی دستاوردها و ارزیابی آینده رویکرد نظری تحقیق آشفتگی است. در طول سال‌ها، نظریه‌های آشفتگی در ایجاد پایه و اساس درک ما از ماهیت جریان‌های آشفته بسیار مهم بوده‌اند. به طور خاص، تقریب تعامل مستقیم (DIA)[ R.H. Kraichnan، J. ماهی مرکب روان. ، ۵، ۴۹۷ (۱۹۵۹)] و توسعه متعاقب آن، که به عنوان رویکرد خاتمه آماری شناخته می‌شود، می‌تواند به عنوان شاید عمیق‌ترین پیشرفت منفرد شناخته شود. موفقیت قابل‌توجه بسته شدن آماری، پلتفرمی را برای مطالعه چنین مفاهیم اساسی به عنوان فرآیند انتقال انرژی و مقیاس‌های تعاملی و نقش حرکات کششی و رفت و آمد فراهم کرده‌است. اخیرا، فرمول‌بندی شبه لاگرانژی V. آل. وی. مدل اسکالر منفعل قابل‌حل توسط Proaccia و Kraichnan روش‌های قدرتمندی را برای کشف جنبه اساسی دیگر جریان‌های آشفته، پدیده تناوب و نماهای مقیاس بندی غیرعادی مربوطه فراهم کرد. در عین حال، نظریه تعادل سیال برای توصیف ساختارهای بزرگ مقیاس که می‌توانند از جریان‌های آشفته دو بعدی و ژئوفیزیکی در زمان بعدی پدیدار شوند، توسعه داده شده‌است. و در عین حال، علی‌رغم تمام این موفقیت‌ها، درمان‌های تحلیلی از پیچیدگی‌های ریاضی رنج می‌برند. در نتیجه، سودمندی رویکردهای نظری به جریان‌های نسبتا ایده‌آل محدود شده‌است. از سوی دیگر، در دهه‌های اخیر، توانایی‌های محاسباتی و امکانات تجربی به یک مقیاس بی‌سابقه رسیده‌است. با نگاهی فراتر از افق، استقرار قریب‌الوقوع ابرکامپیوترهای برون مقیاس، مجموعه داده‌های کاملی از کل حوزه جریان جریان‌های معیار کلیدی را تولید خواهد کرد، که به محققان اجازه می‌دهد تا اندازه‌گیری‌های بیشتری را در مورد زمینه‌های جریان آشفته کاملا توسعه‌یافته و پیچیده فراتر از نظریه‌های بسته شدن آماری استخراج کنند. برخی پیشرفت‌های دیگر که می‌توانند به طور بالقوه مسیر آینده نظریه‌های آشفتگی را تحت‌تاثیر قرار دهند شامل پیشرفت یادگیری ماشین، هوش مصنوعی، و علم داده؛ اختلالات احتمالی ناشی از ظهور محاسبات کوانتومی؛ و نقش به طور فزاینده برجسته تحقیقات آشفتگی در ارائه داده‌های علمی آب و هوایی دقیق‌تر است. نظریه پردازان آشفتگی می‌توانند این تحولات را با پرسیدن سوالات درست و توسعه چارچوب‌های پیشرفته و پیچیده‌ای که قادر به پیش‌بینی و همبستگی مقادیر زیادی از داده‌ها از دو مولفه دیگر تثلیث خواهند بود، به کار گیرند.
ترجمه شده با


پر ارجاع‌ترین مقالات مرتبط:

  • مقاله General Physics and Astronomy
  • ترجمه مقاله General Physics and Astronomy
  • مقاله فیزیک و ستاره‌شناسی عمومی
  • ترجمه مقاله فیزیک و ستاره‌شناسی عمومی
سفارش ترجمه مقاله و کتاب - شروع کنید

با استفاده از افزونه دانلود فایرفاکس چکیده مقالات به صورت خودکار تشخیص داده شده و دکمه دانلود فری‌پیپر در صفحه چکیده نمایش داده می شود.