ระบบพลิกชีวิต 415 ปัญหาใหม่

ระบบพลิกชีวิต 415 ปัญหาใหม่

การหาผลเฉลยสมการ NS ความเร็วเหนือเสียงขั้นสูง

นี่คือปัญหาที่เยี่ยชิงเหอเลือกจากปัญหาหลายข้อที่ผู้นำมอบให้ในครั้งนี้

เยี่ยชิงเหอมองว่าอุตสาหกรรมทหารต้องมาก่อนความเป็นอยู่ของประชาชนในทุกช่วงเวลา ขอเพียงในมือครอบครองสิ่งที่เพียงพอจะข่มขวัญพวกคนพาลได้อย่างแท้จริง ถึงจะสามารถรับประกันความปลอดภัยของตัวเองได้

ปัจจุบันฮวาสย่าในแวดวงอุตสาหกรรมทหารกำลังค่อย ๆ ตามทันอย่างแท้จริง หลายสิ่งหลายอย่างกำลังไล่ตามและแซงหน้ายุโรปและอเมริกา แม้กระทั่งบางด้านก็ทะลวงวงล้อมของยุโรปและอเมริกาได้แล้ว ก่อให้เกิดระบบและความสามารถที่เป็นเอกลักษณ์ของตนเอง

แต่ก็ยังมีอีกหลายด้านที่ยังคงถูกบีบคออยู่

อย่างเช่นช่องเปิดความเร็วเหนือเสียงขั้นสูงและอากาศยานการบินและอวกาศที่ฮวาสย่ากำลังวิจัยและพัฒนาอยู่

ปัจจุบันซอฟต์แวร์ CFD ขั้นสูงที่หน่วยงานอุตสาหกรรมทหารในประเทศใช้ พึ่งพาการนำเข้ามากกว่า 90% มี Vulcan-CFD, ANSYS Fluent, CFX, STAR-CCM+ ของอเมริกา และมี DLR-TAU, COMSOL ของยุโรป เป็นต้น

ซอฟต์แวร์เหล่านี้เป็นกล่องดำ + การอนุญาตแบบจำกัดสำหรับประเทศของเรา

โมดูลสภาวะไม่สมดุลอุณหภูมิสูงและคลื่นกระแทกที่รุนแรงไม่เปิดเผยซอร์สโค้ด และไม่สามารถปรับพารามิเตอร์ได้

อัลกอริทึมที่สำคัญอย่างการจับคลื่นกระแทกและการปิดกั้นการเชื่อมต่อความปั่นป่วน ให้มาเพียงโปรแกรมไบนารีที่คอมไพล์แล้วเท่านั้น

ฮวาสย่าทำได้เพียงเป็นผู้ใช้ระดับสูง ไม่สามารถแก้ไขระดับพื้นฐาน ไม่สามารถปรับปรุงแกนหลัก และไม่สามารถแก้ปัญหาการสั่นสะเทือนที่ระดับรากฐานได้

เมื่อการควบคุมการส่งออกยกระดับขึ้น ก็จะถูกตัดการจัดหาโดยตรง และรุ่นนั้นก็จะหยุดชะงักทันที

หลายปีมานี้ฮวาสย่าก็ทำการวิจัยและพัฒนาเองเช่นกัน สถาบันกลศาสตร์ฮวาสย่า ศูนย์อากาศพลศาสตร์ และหน่วยงานอื่น ๆ ก็วิจัยและพัฒนาซอฟต์แวร์ CFD ออกมาหลายรุ่น

แต่โดยทั่วไปแล้วมีข้อบกพร่องร้ายแรงอยู่สามประการ

ข้อแรก รากฐานของอัลกอริทึมยังคงเป็นชุดของต่างประเทศ แกนหลักยังคงอิงตาม RANS/WENO/MUSCL ไม่ได้หลุดพ้นจากกรอบที่ต้องใช้ความหนืดเทียมมารองรับ

ข้อสอง การหาผลเฉลยการเชื่อมต่อสภาวะไม่สมดุลอุณหภูมิสูง + คลื่นกระแทกที่รุนแรงนั้นไม่เสถียร ภายใต้สภาพการทำงานที่มัค > 8 การตกกระทบของคลื่นกระแทกแนวตั้ง และการแยกตัวของความปั่นป่วน ยังคงมีการสั่นสะเทือน การกระจายออก และมีข้อผิดพลาดสูง

ข้อสาม การเชื่อมต่อความปั่นป่วน-เคมีเชิงความร้อนนั้นอ่อนแอ โดยนำความปั่นป่วน พลังงานการสั่นสะเทือน และปฏิกิริยาเคมีมาเป็น “เทอมแหล่งกำเนิดภายนอก” เพิ่มเติม ภายใต้สนามความชันสูงการเชื่อมต่อจะขาดสะบั้น และผลเฉลยจะพังทลายลงโดยตรง

พูดง่าย ๆ ก็คือภายใต้สภาพการทำงานปกติก็พอถูไถใช้ได้ แต่ภายใต้สภาพการทำงานขีดจำกัดขั้นสูงที่แท้จริง ไม่เพียงแต่ไม่เสถียรและคำนวณไม่แม่นยำเท่านั้น แต่ยังต้องพึ่งพาความหนืดเทียมเพื่อกลบเกลื่อนให้ผ่านไปเท่านั้น

และแกนหลักที่สุดของปัญหานี้ก็คือติดอยู่ที่ประตูนรกทางคณิตศาสตร์อย่างการหาผลเฉลยสมการ NS

คลื่นกระแทกที่รุนแรงย่อมสั่นสะเทือน ความแม่นยำสูงย่อมกระจายออก หากไม่ใช้ความหนืดเทียมก็คำนวณต่อไปไม่ได้ หากใช้ความหนืดเทียมข้อมูลก็ผิดพลาดทั้งหมด

ซอฟต์แวร์ต่างประเทศบีบคอ ซอฟต์แวร์ในประเทศก็ไม่กล้าใช้ถึงขีดจำกัด

อุโมงค์ลมกับการจำลองเป็นคนละเรื่องกัน ความคืบหน้าของรุ่นถูกดึงรั้งไว้อย่างตายตัว

นี่คือสถานการณ์ปัจจุบันที่สมจริงและร้ายแรงที่สุดในแวดวงนี้

บนท้องฟ้า การบินด้วยความเร็วสูงสุดที่มัคหกถึงสิบสอง ไม่ใช่โจทย์ในแวดวงการบินเพียงอย่างเดียวอีกต่อไป แต่เป็นเหวสวรรค์ที่ขวางกั้นอยู่บนเส้นทางการวิจัยและพัฒนาอุปกรณ์ความเร็วเหนือเสียงขั้นสูงของฮวาสย่า

ปัญหานี้ยากมาก เยี่ยชิงเหอยังไม่เคยย่างกรายเข้าสู่แวดวงเหล่านี้

ทว่า เขายินดีที่จะลองดู!

ดังนั้น เมื่อวานจึงรับปัญหานี้มา

และให้ฝ่ายพลาธิการส่งหนังสือในแวดวงที่เกี่ยวข้องมาให้

ทางฝ่ายพลาธิการยังได้เปิดสิทธิ์บางอย่างของกองทัพให้กับเยี่ยชิงเหอ งานวิจัยและข้อมูลที่เกี่ยวข้องเขาสามารถตรวจสอบผ่านคอมพิวเตอร์ได้ทั้งหมด

หากต้องการดูเอกสารลับสุดยอดบางอย่าง ขอเพียงแค่ยื่นเรื่อง อย่างช้าที่สุดในวันรุ่งขึ้นก็จะมีคนจากสำนักงานรักษาความลับนำเอกสารที่เกี่ยวข้องมาส่งให้เยี่ยชิงเหอ

ทฤษฎีพื้นฐานของไหลแบบบีบอัดได้: ทำความเข้าใจสมมติฐานตัวกลางต่อเนื่อง ผลกระทบจากการบีบอัดภายใต้การไหลความเร็วสูง นิยามความเร็วเสียง/เลขมัค กลไกการเกิดคลื่นกระแทกแนวตั้ง/คลื่นกระแทกแนวเฉียง/คลื่นกระแทกแบบหลุดตัว กฎการกลายพันธุ์ของพารามิเตอร์ก่อนและหลังคลื่นกระแทก เข้าใจกฎการเปลี่ยนแปลงทางฟิสิกส์ของโครงสร้างคลื่นกระแทก ความเร็วการไหลหลังคลื่น ความดัน อุณหภูมิ และความหนาแน่นภายใต้เงื่อนไขการไหลเข้าที่มัค 8 อย่างชัดเจน

ผลกระทบจากการแทรกสอดของคลื่นกระแทก-ชั้นขอบเขต: ทำความเข้าใจการแยกตัวของการไหล เขตไหลกลับ และโครงสร้างกระแสน้ำวนทุติยภูมิที่เกิดขึ้นหลังจากคลื่นกระแทกที่รุนแรงบริเวณส่วนหัวและส่วนไหล่ของอากาศยานพุ่งชนชั้นขอบเขตความปั่นป่วน รับรู้ว่าเขตการแยกตัวจะทำให้แรงต้านเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และการบิดเบี้ยวของการไหลเวียนความร้อน ซึ่งนี่ก็เป็นรากฐานทางฟิสิกส์ที่ทำให้การหาผลเฉลยเชิงตัวเลขกระจายออกได้ง่ายที่สุดเช่นกัน

ผลกระทบของก๊าซจริงที่อุณหภูมิสูง: ทำความเข้าใจการกระตุ้นการสั่นสะเทือนของโมเลกุล พลังงานการหมุน และกระบวนการผ่อนคลายของปฏิกิริยาเคมีของอากาศภายใต้อุณหภูมิสูงกว่า 2000K แยกแยะความหมายทางฟิสิกส์ของอุณหภูมิการเลื่อนตำแหน่งและอุณหภูมิการสั่นสะเทือนของโมเลกุล...

ฟิสิกส์ความปั่นป่วนเลขเรย์โนลด์สสูง....

...

เยี่ยชิงเหอต้องทำความเข้าใจสิ่งเหล่านี้ก่อน ถึงจะสามารถออกแบบตัวดำเนินการทางคณิตศาสตร์ตามกฎทางฟิสิกส์ของการไหลที่แท้จริงได้

อย่างเช่นการตัดสินว่าใกล้ผนัง y⁺→0 ทำให้เกิดภาวะเอกฐาน แก่นแท้คือการเข้าใจคุณลักษณะการไหลของชั้นล่างที่มีความหนืด

อย่างเช่นการแยกแยะการสั่นสะเทือนเชิงตัวเลขและการเต้นเป็นจังหวะทางฟิสิกส์ ต้องพึ่งพาความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับโครงสร้างกระแสน้ำวนขนาดเล็กของสนามการไหลความเร็วเหนือเสียงขั้นสูง

เขาจำเป็นต้องเข้าใจฟิสิกส์ความร้อนเชิงวิศวกรรมและการป้องกันความร้อนเชิงอากาศพลศาสตร์ เพราะนี่ไม่ใช่แค่คณิตศาสตร์เพียงอย่างเดียว ข้อมูลการไหลเวียนความร้อนและความดันที่คำนวณได้จะเป็นตัวกำหนดการเลือกใช้วัสดุและการออกแบบการป้องกันความร้อนของหัวรบ/อากาศยานโดยตรง เขาจำเป็นต้องเชื่อมโยงห่วงโซ่ที่สมบูรณ์ของการหาผลเฉลยทางทฤษฎีและการวิจัยและพัฒนาอุปกรณ์เข้าด้วยกัน

จำเป็นต้องเข้าใจสถานการณ์ปัจจุบันของอุตสาหกรรมกลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ CFD เข้าใจข้อบกพร่องทางเทคโนโลยี และวิธีการที่ใช้กันทั่วไป

ยังมีความรู้อื่น ๆ อีกมากมาย เขาก็จำเป็นต้องเรียนรู้และซึมซับทีละอย่าง ถึงจะเป็นไปได้ที่จะแก้ปัญหานี้จากต้นตอได้อย่างแท้จริง

เพราะนี่ไม่ใช่ปัญหาคณิตศาสตร์ง่าย ๆ แต่เป็นปัญหาท้าทายระดับโลกที่ข้ามสาขาวิชา เป็นปัญหาท้าทายที่แวดวงกลศาสตร์ของไหลและคณิตศาสตร์เชิงคำนวณชั้นนำระดับโลกไม่สามารถเอาชนะได้อย่างเด็ดขาดมานานหลายสิบปี

ความยากของปัญหาคณิตศาสตร์ในนั้นมีมากแค่ไหน?

ก่อนอื่น การมีอยู่โดยรวมของผลเฉลยแบบเรียบของสมการ NS สามมิติก็เป็นหนึ่งในปัญหารางวัลสหัสวรรษทั้งเจ็ดอยู่แล้ว

และปัญหานี้ยังต้องซ้อนทับด้วยข้อจำกัดแบบไม่เป็นเชิงเส้นที่รุนแรงสามประการ ได้แก่ ความไม่ต่อเนื่องของคลื่นกระแทกที่รุนแรง สภาวะไม่สมดุลอุณหภูมิสูง และความปั่นป่วน ซึ่งก็คือการเพิ่มเงื่อนไขทางวิศวกรรมขั้นสุดขั้วบนพื้นฐานของการแก้ปัญหาที่ยังไม่มีใครแก้ได้ในศตวรรษนี้

ลองคิดดูว่าปัญหานี้จะยากแค่ไหน

ดังนั้นสำหรับปัญหานี้ เยี่ยชิงเหอจึงไม่ได้ให้คำรับประกันใด ๆ กับผู้นำ เพียงแค่บอกว่าตัวเองจะพยายามอย่างเต็มที่เพื่อแก้ไขมัน

“ได้เวลากินข้าวแล้ว!”

เวลาตั้งใจเรียนจะรู้สึกไม่ถึงเวลาที่ผ่านไป เยี่ยชิงเหอรู้สึกว่ายังไม่ได้เรียนอะไรเท่าไหร่ ก็ได้ยินโจวหว่านเอ๋อร์เรียกเขาให้ไปกินข้าวแล้ว

“ตอนเที่ยงเธอช่วยสั่งอาหารเดลิเวอรีให้หน่อยนะ ไม่ออกไปกินแล้ว”

เยี่ยชิงเหอไม่ได้เงยหน้าขึ้นมาเลย

“ไม่ได้ นายทำนั่งมานานขนาดนี้แล้ว ต่อให้ไม่ออกไปกิน ก็ควรจะไปเดินเล่นสักหน่อย แล้วไปที่ห้องพักผ่อนข้าง ๆ เพื่อให้นวดให้หน่อย!”

แต่โจวหว่านเอ๋อร์ไม่ได้ฟังเขา ปิดหนังสือที่เขากำลังอ่านอยู่ในมือโดยตรง แล้วเข็นเขาเดินออกไปข้างนอก

“อ๊ะ!” เยี่ยชิงเหอยังไม่ทันได้ตอบสนอง ก็ถูกเข็นออกจากตำแหน่งโต๊ะทำงานไปแล้ว ทำได้เพียงส่ายหน้า

อากาศในช่วงต้นเดือนสิงหาคมนั้นร้อนมาก โชคดีที่ซินจายที่เยี่ยชิงเหออยู่ห่างจากโรงอาหารไม่ไกลนัก อีกทั้งต้นไม้ริมถนนตลอดทางก็ใหญ่มาก มีร่มเงาต้นไม้เยอะ ดังนั้นจึงยังพอรับได้

“ชิงเหอ บังเอิญจัง?”

เพียงแต่พวกเขาเพิ่งนั่งลงได้ไม่นาน หลินชีเยวี่ยก็ถือถาดอาหารของตัวเองมานั่งข้าง ๆ พวกเขา

“พอดีเลย ฉันยังบอกว่าจะหาเวลาไปถามนายอยู่เลย ฉันมีปัญหาคณิตศาสตร์ข้อหนึ่ง ฉันศึกษามาหลายวันแล้ว ก็ยังไม่เข้าใจ กินข้าวเสร็จนายช่วยดูให้ฉันหน่อยได้ไหม?”

โดยไม่สนใจสายตาของโจวหว่านเอ๋อร์และซูเมี่ยวเอ๋อร์ หลินชีเยวี่ยหยิบหนังสือที่พกมาออกมาโดยตรง ชี้ไปที่ปัญหาข้อหนึ่งในหนังสือแล้วพูดกับเยี่ยชิงเหอ

เยี่ยชิงเหอมองดูหนังสือของเธอแวบหนึ่ง แม้จะใหม่มาก แต่ด้านบนกลับมีรอยจดบันทึกด้วยปากกาอยู่ไม่น้อย

[จบแล้ว]