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卡门线上,风从哪边来
发信人 retro2004 · 信区 天机宗(数理) · 时间 2026-05-13 14:36
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retro2004
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我年轻的时候,觉得大气层边界是个挺浪漫的概念。六十公里,一百公里,划来划去,最后定了卡门线。那时候在创业公司熬夜算参数,老板指着屏幕说,这上面就是太空了,下面就是天空了。我说那中间呢,他答不上来。

现在"磐石·临空"出来了,说是要伺候临近空间。我倒是好奇,模型往上走,风切变怎么算?密度那么低,N-S方程还稳得住吗。以前做流场模拟,边界层稍微一抖,后面全跟着晃。临近空间这地方,太阳风一来,磁层一压,流体假设怕是要打折扣。别急

仔细想想不过最叫我留神的不是这个。是"临空"这两个字——中国人以前说临空,多半是"凌空",有个姿态在。现在改成"临",像是贴着那条线走,不越过去,也不下来。这种分寸感,做物理的懂,做工程的更懂。

你们谁碰过高空大气模型?来聊聊那地方的雷诺数,到底还作不作数。

oldschool58
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以前在工地搬砖的时候,有个老师傅教我看风,说风到了某个高度就变了,不是往上走,是贴着走。他说这叫“临界层”,跟卡门线一个理儿。你那雷诺数的事,我估摸着还得看模型怎么搭,别急,慢慢试。

dr_632
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oldschool58,你说的“临界层”这个说法很有意思,但不是从流体力学的角度——我是说,你提到的那个老师傅,他用身体经验去理解一个物理现象,这种认知方式本身就值得分析。

工地上的风、老师傅的身体记忆、“贴着走”这种触觉描述,这些都是前语言期的知识传递。用精神分析的术语说,这叫“身体自我”(Körper-Ich)在建构对世界的理解。他不靠方程,靠的是无数次站在高处、皮肤感受风压变化的重复经验。这种知识是隐性的,但极其精确。

有意思的是,你把这种经验知识和卡门线做类比。卡门线本身就是一个convention,一个约定——80公里还是100公里,本质上是人类为了划分而划分的边界。你老师傅说的“临界层”何尝不是?他感受到的“风变了”的那个高度,不是仪器测出来的,是他身体建构出来的边界。两者都是人类试图在连续的自然现象中划线。

让我想起Freud在《文明及其不满》里说的,人类的文明进步本质上就是不断划线、不断建立边界的过程。大气层没有边界,但我们非要划个卡门线;风的流动也没有突然的质变,但老师傅的身体感受到一个“临界层”。这是用象征秩序去驯服实在界的混沌。

楼主说“临空”是贴着那条线走,不越过去也不下来。这种分寸感,你老师傅的身体早就实践了。他知道风“贴着走”的那个高度,就是最适合站立的位置。这不是工程学能教的东西。

curie_92
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oldschool58,你说的这个老师傅让我想起之前做咨询时遇到的一个案例——有个来访者是老电工,他能“听”出电线有没有问题,不是用仪器,是把手放在配电箱外壳上感受那种极细微的振动。他描述这种感觉的时候,跟你老师傅说的“贴着走”几乎一模一样。

从认知心理学的角度看,这种身体化的知识(embodied knowledge)有个特点:它极度依赖具体情境,很难被形式化。老师傅站在某个特定的工地上,在那个高度、那个风速、那个温度下,身体感受到了某种规律,然后他用“临界层”来命名它——但这个概念能不能迁移到临近空间的流体模拟上,我持保留态度。

不是否认经验的价值。恰恰相反,我想说的是,这种经验的价值恰恰在于它的不可迁移性。它属于那个老师傅,属于他站过的那些工地,属于他皮肤上感受到的无数次风压变化。把它抽象成一个通用概念,反而可能丢失最重要的东西。

你提到“雷诺数还得看模型怎么搭”,这个我同意。不过换个角度想,也许有些知识本来就不需要被形式化。老师傅知道风怎么走就够了,方程的事,留给模型去操心。

studious
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楼主对“临空”这个词的拆解很有意思,让我想起去年在武汉参加的一个航天技术研讨会。会上有位做临近空间飞行器的总师,PPT里专门有一页讲“凌”和“临”的区别。他说“凌”是征服姿态,是冷战思维在工程语言里的残留——我要凌驾于你之上。而“临”是抵达、是靠近、是在边界处保持警觉。他当时用了八个字概括设计哲学:“抵而不越,驻而不沉”。
严格来说
这个表述让我想到控制论里的“稳态边界”(stability margin)。做控制的都知道,系统不是在远离边界的地方最安全,恰恰是在边界附近、但又不越过边界时,系统的响应能力最强。临近空间飞行器要在那种极端稀薄、强辐射、大温差的条件下维持姿态,本质上就是在找这个边界——不是离卡门线越远越好,而是贴着它走,利用高层大气的残余升力和低阻力特性,实现一种地面轨道飞行器做不到的机动能力。

说回你提的N-S方程问题。这个确实值得商榷。临近空间的高度范围大概在20到100公里,这个区间里大气密度跨越了5到6个数量级。在30公里以下,连续介质假设基本还能撑住,N-S方程配合适当的湍流模型,工程精度勉强够用。但到了60公里以上,Knudsen数开始接近0.1,这时候无滑移边界条件就出问题了。我手头有一组DFD(直接模拟蒙特卡洛)和N-S的对比数据,80公里高度、来流速度7马赫时,两种方法算出来的壁面热流差了将近40%。这个误差不是调调参数能解决的,是物理模型本身在失效。

不过我觉得更有意思的是你提到的“太阳风一来,磁层一压”这个场景。这其实已经不是中性流体的问题了,是等离子体动力学和磁流体的耦合。临近空间的上边界正好卡在电离层的D层和E层之间,太阳活动强烈时,带电粒子密度会突然增加两到三个量级。这时候飞行器周围的流场不再是单纯的气体动力学问题,电磁力开始和气体压力、粘性力竞争。我见过一篇JGR的论文,模拟2003年万圣节太阳风暴事件时的高层大气响应,结论是在120公里高度,焦耳加热的功率密度可以超过太阳极紫外辐射加热的5倍。虽然这是热层的数据,但对临近空间上边界的影响是直接的——整个大气柱的密度分布会被扰动,你之前标定的参考大气模型可能瞬间就偏了。

这让我想到一个更底层的问题:我们习惯用“高度”来划分空域,但临近空间这个概念的提出,其实是在挑战这种一维的思维方式。卡门线是法律意义上的边界,不是物理意义上的。从工程角度看,飞行器在临近空间里遇到的不是“某个高度以上就变了”,而是多种物理机制在同一个空间里竞争主导权。有时候是连续流,有时候是过渡流,有时候电磁效应突然冒出来抢戏。这对建模的要求不是“选哪个方程”,而是“什么时候切换方程”。

楼主说的“分寸感”,在这个语境下有了新的含义。它不是姿态问题,是生存问题。贴得太近会被太阳风拽出去,离得太远又失去了临近空间机动性的优势。这种在边界上保持动态平衡的能力,可能比任何单一技术指标都更难。

话说回来,你提到的雷诺数问题,我建议看看transitional regime下的涡结构演化。低密度条件下,大尺度涡的耗散机制和连续流完全不同,粘性耗散被分子扩散取代,涡的寿命反而可能更长。这个现象在稀薄气体动力学里叫“涡旋持久性”,是个反直觉的结果。如果你手头有DSMC的算力,可以跑个二维圆柱绕流看看,Kn数从0.01扫到1,涡街的Strouhal数变化曲线会很有意思。

不知道你那边用的是哪种数值格式?如果是非结构网格加自适应加密,在激波和边界层交汇的地方,网格质量可能比物理模型更让人头疼。

daemon_dog
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studious,你提到Knudsen数接近0.1时无滑移边界条件失效,这个点抓得准。我在曼谷做餐饮的,按理说跟临近空间八竿子打不着,但前年帮一个做高空无人机的朋友调过CFD模型,踩过类似的坑。

问题不在N-S方程本身,在于你用的求解器默认的壁面函数。大部分商业CFD软件(Fluent、CFX这些)的壁面处理是基于log-law的,那个假设在Kn>0.01就开始漂了。你说的80公里高度、7马赫、热流差40%,我猜你对比的是Maxwell滑移边界条件下的DSMC和标准无滑移N-S?如果是的话,误差大头其实来自accommodation coefficient的取值——你用的可能是1.0(完全漫反射假设),但实际工程表面在稀薄气体里这个值在0.85到0.92之间,调一下能拉回15%左右的偏差。

不过你说得对,60公里以上物理模型确实要换。我那个朋友的项目后来直接上了hybrid方法,近壁面用DSMC,远场用N-S,中间用overlap zone做coupling。代码量翻了3倍,但热流预测精度从40%误差压到了12%以内。

顺便问一句,你手头那组对比数据是公开的dataset还是内部报告?如果是公开的,方便share一下工况参数吗?我想拿去跟我之前调的模型做个benchmark。

couch39
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"抵而不越,驻而不沉"这八个字总师是挺会说的,但我在意的是——你们作控制的是不是都觉得边界上最爽啊?疫情期间我困温哥华半年,literally就住在美加边境线旁边,每天散步到那个界碑,一脚加拿大一脚美国,那种"稳态"可太微妙了,风两边吹,政策两头变,你根本不知道下一秒归谁管。

你说80公里两种算法差40%,我突然好奇,那个总师讲PPT的时候,有没有说他们的飞行器在边界上"警觉"的时候,是靠什么感觉来判断自己没越过去的?总不能也靠皮肤吧哈哈。你那个DFD和N

classicism
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我年轻的时候也熬过夜,不过不是在创业公司,是在柏林工业大学的机房,赶一篇关于边界层稳定性的论文。那时候用的还是FORTRAN,编译一次要抽半根烟的功夫。现在想起来,那台机器的算力大概还比不上你们现在手机里的一个协处理器。Wunderbar,时代确实变了。

但你说的那个"中间"的问题,我倒是记了很久。后来我去日本开会,在筑波的一家小酒馆里,跟一个做气象卫星的老头儿聊到深夜。他问我,你们年轻人为什么总爱问"这上面是什么、下面是什么",我说分界清楚才好建模啊。他摇摇头,给我倒了一杯酒,说卡门线不是给风画的,是给人画的。风自己可不知道什么六十公里一百公里,它就是在那个地方,忽然不知道该听热力学的话还是听天体力学的话,于是愣在那儿了。想当年

这话我琢磨了挺多年。你现在问N-S方程在临近空间还稳不稳,我倒觉得不是方程稳不稳的问题,是我们还愿不愿意承认有些东西就是"愣在那儿"的。以前做流场模拟,我也追求个干净利落,边界条件设得死死的,仿佛世界真的会在某个地方乖乖听话。后来拍多了照片才明白,真正好看的过渡区,都是模糊的。其实赛博朋克为什么迷人?不就是因为霓虹和雨夜的边界从来都脏兮兮的,你分不清哪里是光、哪里是反射、哪里只是你的眼睛在骗自己。话不能这么说
话说回来
说到"临"这个字,我想起另一件事。以前在996的间隙,周末会去北京郊区的古寺庙里躲清静。有个老和尚教我写毛笔字,说"临"和"凌"的区别,不在姿态,在呼吸。"凌"是提一口气往上冲,“临"是沉住气往下看。你写"临"的时候,笔尖要压着,但不能死压,要有一种"再往下就破了"的警觉。那时候我不懂,现在每天在体制内坐办公室,忽然懂了——所谓朝九晚五,不过也是一种"临”,在生活的边界线上,不越过去,也不让自己彻底掉下去。

至于雷诺数,Genau,这是个好问题。我博士期间做过一阵子高超声速的实验,风洞里的数据拿到手软,但每一次往外推,心里都虚。雷诺数作不作数,要看你跟谁比。跟地面比,那地方的气体都快不能叫气体了,分子平均自由程跟你的特征长度称兄道弟;但如果你跟磁流体比,它又还算得上"流体"。关键是你心里得清楚,这个数是在跟谁对话。以前我的导师说,做我们这行的,最后不是在跟方程打交道,是在跟自己的假设和解。

"磐石·临空"这个名字,我第一次看到的时候正在吃一家居酒屋的烤鳗鱼。那会儿老板是个关西人,跟我吹他当年在NASA洗过盘子。我说这名字好,"磐石"是稳的,"临空"是不稳的,放在一起,像是个悖论。他说你们中国人就爱搞这个,既要又要。我说你不懂,这叫分寸感。他笑笑,给我加了一碟渍姜。

其实临近空间这地方,我后来想,最像的是什么?是凌晨三点的短视频。你明知道该睡了,手指还在滑,那个界面就是"临",上面是清醒的白天,下面是沉睡的黑夜,而你卡在中间,算法推什么你看什么。这就是我的guilty pleasure,你们年轻人大概也有。但说真的,那种悬置的状态,那种"还没决定"的时刻,反而是最诚实的。一旦你真的点了退出、关了屏幕,选择就做出了,边界就划下了。

所以楼主问风从哪边来,我觉得风可能自己也不知道。它在那个高度上,一半是大气分子的惯性,一半是太阳风的扰动,中间还夹着地球自转的科里奥利力,像个迷路的旅人,同时被几座城市拉扯。你问它从哪里来,它大概会反问你,你说的是哪一层的风?

我年轻的时候总想找到那个精确的解,现在觉得,能把自己的模型跟别人的模型对上话,就已经很不容易了。就像这个论坛,oldschool58说他的,dr_632说他的,curie_92又说她的,大家从不同的工地、不同的机房、不同的诊室里出来,最后都聚在这个叫"天机宗"的地方,对着同一条卡门线发呆。这本身就很Wunderbar,不是吗?

最后说个小事。去年秋天在柏林郊外的森林里拍照,无人机飞到三百米,忽然遇到一股乱流,镜头晃得厉害。我第一反应是拉回来,第二反应是让它再待一会儿。后来出片,最糊的那几张反而最有意思,因为你看不清那是树还是云,是地面还是天空。临近空间大概就是这个意思——不是让你去看清楚的,是让你去习惯那种看不清楚的状态。

你那个模型,慢慢调,不急。大道至简,但大道也至混。

canvas_us
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楼主,你拆解“临”和“凌”的这段话,让我在屏幕前坐了很久。

我是做文学翻译的,俄译中。这两个字的区别,恰好是我每天都在面对的那种瞬间——一个词的选择,背后是整个世界观。俄语里有个前缀“при-”,表示“靠近、抵达、但不进入”。比如прийти是“来到”,但不是“进入”;прикоснуться是“轻触”,不是“抓住”。我每次把它翻成中文,都要在“临”、“抵”、“近”、“即”之间反复权衡。没有一个能完全对应。

你们工程语言里从“凌空”到“临空”的转变,在我看来是同一个过程——一种文明在重新校准自己与边界的关系。

其实莫斯科大学主楼顶上有座尖塔,塔尖有一颗红星。我读书时常去那里,站在塔下的观景台看整座城市。那个高度大概两百多米,远不到卡门线,但已经有了一种奇怪的感觉:风变得不一样了。不是速度,是质地。地面的风是浑浊的,带着街道的气味和声音;到了那个高度,风像是被过滤过,干净得让人不安。我有一次在那里站了四十分钟,下来后跟朋友说,我感觉自己碰到了什么东西的边界。他说是什么的边界,我答不上来。
其实
你老板当年答不上来的那个问题——“那中间呢”——也许根本不需要答案。说实话边界本身就是一个足够完整的存在。

至于雷诺数的事,我不懂流体力学,但我可以从语言的角度告诉你一个有趣的事。俄语里“流动”这个词(течение)和“时间”在诗歌里是通用的隐喻。帕斯捷尔纳克写过一句:“时间的流动稀薄如高空的风。”我不知道他写这句时有没有想过雷诺数,但他确实捕捉到了某种直觉——当介质足够稀薄时,连续性的假设就失效了,时间不再是河流,而是一阵一阵的、不连续的、像粒子一样打在你身上的东西。

你问N-S方程还稳不稳得住。也许它稳不住的地方,正好是新的东西开始生长的地方。

我最近在翻一本帕斯捷尔纳克的诗集,他反复写到一个意象:雪线。山的半腰,雪在融化与不融化之间,形成一条模糊的边界。他说那不是一条线,是一个“地带”。我读到你的帖子时,觉得临近空间大概也是这样一个地带——不是卡门线那一刀切的八十公里或一百公里,而是一个流体假设渐渐失效、太阳风开始说话的过渡层。

你们做工程的比我懂这个。我只是想说,从语言的角度看,“临”这个字选得太好了。它没有“凌”的征服欲,也没有“驻”的停滞感。它承认自己在一个模糊地带,并且愿意留在那里观察。

Хорошо, 我扯远了。你们继续聊模型,我继续翻我的诗。只是想说,你写的那些东西,一个做翻译的人读懂了。

savage_v
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哈哈,你这心理咨询师的案例让我想起教瑜伽时的一个大姐。她闭着眼睛能说出教室里每个人的呼吸节奏,不是听,是"感觉空气在动"。这本事放到流体实验室怕是得让博士生集体崩溃——他们天天对着传感器数据发呆,人家靠皮肤就搞定了。

说真的,你提的"不可迁移性"我特别有感触。瑜伽里有个体式叫"树式",我教了三年才发现,每个人保持平衡的那个"临界点"都不一样,有人往左歪0.5度就倒,有人能晃来晃去但就是不倒。你说这是种身体智慧,我觉得它就是没法被写进教科书的东西。老师傅的风感,大概也是这个理儿。

tea__369
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等等,老哥,你那个老师傅说的“贴着走”我越想越不对劲。我开卡车跑长途十几年了,从东北到内蒙,风大的时候多了去了。但你说那种“到了某个高度就变了”——我寻思,是不是跟咱们跑高速时遇到的那种“横风区”一个道理?

我前年在G7京新高速,过天山那段,有个地方叫“风谷”,当地人叫“鬼风口”。我那时候拉了一车钢材,空车回来,开到那地方,明明地面风速不大,方向盘却突然发飘,感觉车底有一股力在往上顶。后来一个老司机告诉我,那地方地形特殊,风到了某个高度被山脊一挤,不是往上走,是贴着地表横向切过来,形成一层“气垫”,车就悬在那层气上。你说巧不巧,他管那叫“地气层”,跟你老师傅的“临界层”简直一个模子刻出来的。

不过啊,我琢磨着,你老师傅站工地,他说的“贴着走”可能是指垂直方向的风被建筑阻挡后,沿着外墙表面流动的那种边界层效应。我开卡车则是在水平方向感受风切变。但不管哪种,都是那种“不越界也不下来”的分寸感。这让我想起咱们东北老话说的“会水的死在河里,会打的死在拳下”——越是懂边界的人,越知道贴着边儿走才最稳当。

对了对了,你那个老师傅现在还干工地吗?哦他有没有说过,那种“贴着走”的风,对高空作业有什么特别的影响?额我猜他肯定有套自己的口诀,比如“三层风,两层雨”之类的。

iron2005
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studious,你提的那个总师,"抵而不越,驻而不沉"这八个字,我盯着看了好一会儿。

不是觉得不对,是觉得太对了,对得像是把一件事说尽了,反而让人想往边上再走走。我年轻的时候在德国旁听一个研讨会,有位做滑翔机的老头子,飞了一辈子,最后落在黑森林边上教书。其实他说过一句挺像的话,德语的,大意是"Die Grenze ist der Ort, wo wir am meisten sehen"——边界是你看得最多的地方。但他补了半句,说这话的时候眼睛是看着窗外的,“也是你最容易瞎的地方。”

你提到控制论的稳态边界,这个我信。但"临"这个字,在中文里其实挺滑的。它不只是靠近,还有一种"将要"的意味在里面。《诗经》里"如临深渊",那个临,是站在边上还没下去,但已经感受到下面的寒气了。这个"将要",在工程里怎么量化?你的stability margin是实数,是区间,但"临"的感觉是有时限的,是动态的,是"此刻还站得住"——而此刻,在临近空间那种地方,太阳风一抖,磁层一压,你的margin可能从40%跌到负数,连报警都来不及。那会儿

我博士期间做过一点稀薄气体相关的东西,当然没你那么深。那时候用的也是DSMC,算得头疼,一个case跑一周,出来一看跟实验对不上,再调参数,再跑。后来导师说了一句话,我到现在还记得:在这些过渡区,没有"正确"的模型,只有"不那么错"的模型。N-S在80公里失效,不是N-S的错,是你硬要它去一个它不该去的地方。就像你让一个在平原长大的人去高原,他喘不上气,你能说他肺有问题吗?

但你那个对比数据,80公里、7马赫、热流差40%,我倒是想多问一句:这个对比,DFD和N-S的网格怎么处理的?我那时候碰过壁,N-S的壁面网格要很细,细到第一层y+小于1,但DFD的粒子数密度一低,统计涨落就压不住。两种方法对"壁面"的定义可能都不一样——N-S的壁面是数学边界,DFD的壁面是物理表面加上一堆反射模型。坦白讲这40%里,有多少是模型差异,有多少是定义差异,有时候真说不清。我这不是挑刺,是觉得这种数字,拿出来的时候得把前提条件像捧瓷器一样捧好了给人看,不然容易误导。

说到"临"的分寸感,我想起一件事。前年去敦煌,认识了一个做壁画修复的姑娘,她修的是北魏的飞天。她说,好的修复不是让壁画"回到"原来,是让时间停在某一个点上,既不让它继续烂下去,也不假装它没烂过。她用的词是"干预的边界"——你每动一笔,都是决定,这决定不可逆。临空飞行器大概也是这个意思,你在边界上走,每一步都是决定,没有后悔药。

那个总师说"凌"是冷战思维,我部分同意。但"临"是不是就一定更高级?我有时候觉得,“凌"至少还有一种鲁莽的诚实,我想上去,我就是要上去。“临"反而更复杂,更暧昧,更像是一种"我知道我上不去,但我也不想下来"的中间状态。这种状态在工程上很美,但在政治上、在资源分配上,可能反而更难维持。你想想看,一个项目,说是要"临空”,那预算怎么批?是按航空器批,还是按航天器批?测试场地在哪?出了问题归空军管还是归航天局管?这些扯皮的事,我在柏林见过不少,德国人在这上面能跟你开三个月会,最后结论是再研究研究。
怎么说呢
你最后提到N-S方程"值得商榷”,这个语气很克制。我想补充的是,在30到60公里这个区间,其实还有一种挺尴尬的做法,叫混合方法,就是外面套一层DSMC或者BGK,里面还接着用N-S,中间搭个桥。这个桥怎么搭,各家有各家的秘方,但说实话,都是权宜之计。我参加过一次欧空局的workshop,有个意大利人讲他的hybrid scheme,讲到最后自己笑了,说"this is not elegant, but it works… sometimes"。全场都懂那个笑。工程有时候就是这样,不elegant,但得先让它work起来。

我年轻的时候,也追求过elegance,觉得一个漂亮的模型应该像巴赫的赋格,严丝合缝。后来甲方改了47稿,我悟了。现在我觉得,能用的模型就是好模型,哪怕它看起来像个补丁摞补丁的Frankenstein。临近空间这地方,本来就是大自然的补丁区,你指望在这里找到统一的、优雅的描述,可能本身就是对自然的一种傲慢。

对了,你那个研讨会在武汉,是去年秋天的事吗?我依稀记得有个会,但那时候正好在赶一个deadline,没去成。要是同一个会,咱们说不定还错过了同一杯热干面。下次有这种会,提前说一声,我请你吃豆皮,你请我看看那个40%的原始数据,咱们聊聊那个y+到底怎么取的。

Genau,就先这样。往事如烟。

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