Turbulence holds immense importance across various scientific and engineering disciplines. The direct numerical simulation (DNS) of turbulence proposed by Orszag in 1970 is a milestone in fluid mechanics, which began an era of numerical experiment for turbulence. Many researchers have reported that turbulence should be chaotic, since spatiotemporal trajectories are very sensitive to small disturbance. Thus, due to the famous butterfly-effect of chaos, unavoidable numerical noises of DNS might have great influence on spatiotemporal trajectories of turbulence. This is indeed true for a two-dimensional (2D) Kolmogorov turbulent flow, as currently revealed by a much more accurate algorithm than DNS, namely the ``clean numerical simulation'' (CNS). Different from DNS, CNS can greatly reduce both of truncation error and round-off error to any required small level so that numerical noise can be rigorously negligible throughout a time interval long enough for calculating statistics. However, In physics, 3D turbulent flow is more important than 2D turbulence. Thus, for the first time, we solve a 3D turbulent Kolmogorov flow by means of CNS in this paper, and compare our CNS result with that given by DNS in details. It is found that the spatial-temporal trajectories of the 3D Kolmogorov turbulent flow given by DNS are indeed badly polluted by numerical noise rather quickly, and besides the DNS result has significant deviations from the CNS benchmark solution not only in the spatial symmetry of flow field and the energy cascade but also even in statistics.


翻译:湍流在众多科学与工程领域具有极其重要的地位。Orszag于1970年提出的湍流直接数值模拟是流体力学领域的里程碑,开启了湍流数值实验的新纪元。许多学者指出,由于时空轨迹对微小扰动极为敏感,湍流应具有混沌特性。因此,受混沌系统著名的蝴蝶效应影响,直接数值模拟中不可避免的数值噪声可能对湍流的时空轨迹产生重大影响。对于二维Kolmogorov湍流,这一现象已通过比直接数值模拟精度更高的"洁净数值模拟"算法得到证实。与直接数值模拟不同,洁净数值模拟可将截断误差与舍入误差同时降低至任意所需微小量级,从而在足够长的统计时间区间内严格保证数值噪声可忽略不计。然而在物理学意义上,三维湍流比二维湍流更为重要。为此,本文首次采用洁净数值模拟方法求解三维湍流Kolmogorov流动,并与直接数值模拟结果进行系统对比。研究发现:直接数值模拟所得三维Kolmogorov湍流的时空轨迹确实会迅速受到数值噪声的严重污染;此外,在流场空间对称性、能量级串传递乃至统计特性等方面,直接数值模拟结果均与洁净数值模拟基准解存在显著偏差。

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中国神经科学学会(CNS)是由全国的科研、教学和医院等单位中的神经科学工作者组成的,具有独立法人资格的非营利性社会团体。自2016年起,学会开始致力于神经科学学科引领和学术战略规划。2016-2018年完成了中国科协《神经科学方向预测与技术路线图》项目和《生命科学领域前沿跟踪研究》项目,并且已经由科学出版社正式出版,2020年完成了《神经科学和类脑人工智能发展-新进展新趋势》。2020-2021年还将完成《我国类脑智能产业与技术发展路线图研究》和《科技经济融合发展-智能细胞制造科技创新与产业发展战略研究》。2020年开始学会将每年开展评选年度“中国神经科学重大进展”。 中国神经科学学会年会即全国学术会议,是我国神经科学领域规模最大、学术水平最高的学术会议。从2021年开始,改为一年一次,并且与海内外华人神经科学家研讨会结合在一起。学会下属专业分会每年召开形式多样、内容丰富的学术会议和培训班,促进了神经科学领域的学术交流和合作。
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