简介

定义

科学原理

应用范围

亥姆霍兹

简介

“开尔文-亥姆霍兹不稳定性”是天文学专有名词。

中文译名　开尔文-亥姆霍兹不稳定性

英文原名/注释　Kelvin-Helmholtz instability开尔文-亥姆霍兹不稳定性，是物理学名词，也被用来解释自然现象和工程技术问题。两种流体作平行相对运动，对于沿流速方向的小扰动，运动流体是不稳定的称为开尔文-亥姆霍兹不稳定性。

定义

开尔文-亥姆霍兹不稳定性，是物理学专有名词，两种流体作平行相对运动，对于沿流速方向的小扰动，运动流体是不稳定的,称为开尔文-亥姆霍兹不稳定性。如果在流速方向存在一个平行于分界面的磁场，则它对沿流速方向的小扰动有致稳作用。如果两种流体流速差引起的失稳作用大于磁场的致稳作用，就出现磁流体力学开尔文-亥姆霍兹不稳定性。在天体物理领域中，经常出现这种不稳定性的现象。

“开尔文-亥姆霍兹不稳定性”这个名字来源于苏格兰第一代开尔文男爵威廉·汤姆森和德国物理学家赫尔曼·亥姆霍兹

科学原理

流体运动稳定性理论研究流体运动稳定的条件和失稳后流动的发展变化，包括过渡为湍流的过程。从理论上研究流体运动的稳定性时，常从扰动量（包括扰动速度等）变化着手。如果假定扰动为无限小，可建立小扰动理论，即线性化理论；如果扰动为有限值，可建立有限扰动理论。

层流向湍流过渡，必从失稳开始。但失稳后可能转变为另一种层流，而不一定过渡为湍流。Л.Д.朗道1944年提出一种可能的过渡形式：随着某流动参数（例如雷诺数）的逐渐增大，原先的层流失稳并变为另一种稳定层流；参数继续增大时，此层流将再失稳而变为另一种更复杂的层流，如此继续下去，终于失去层流的规则性而转变为湍流。这种过程称为重复分岔。小扰动理论可用于求第一个分岔点。对于某些流动，例如热对流和两同轴圆筒间的库埃特流，实验已证实存在第一和第二个分岔点；而另外一些流动，例如圆管中的泊肃叶流（见管流），一旦失稳，总是立即转变为湍流。下面介绍几种典型的流体运动稳定性问题。

两种不同流体有一个明确界面时的稳定问题。包括以下两个问题。

1、瑞利－泰勒稳定问题

2、开尔文－亥姆霍兹稳定问题

即两种流体作平行于水平界面的相对运动时的运动稳定性问题。最简单的例子是两种流体的速度均为常值且方向相同。用v1、v2分别表示上层和下层流体的速度,设ρ1<ρ2,且流体在各方向都伸展至无穷远,当不考虑流体粘性和界面张力时,按照小扰动理论，不论v1-v2为何值，界面都是不稳定的。若考虑界面的表面张力,并用σ表示，则当相对速度满足下式时不稳定：式中g为重力加速度。如果用此模型表示海面由于风吹而引起波浪，则可算出：v1－v2=6.50米/秒时界面失稳而起浪。实际上产生海浪的原因很多，风速远小于此值时也可有浪。但观察发现，风速达到此值时，碎浪和蒸发率将突然增加。此模型的界面是流速不连续面。有的学者还提出两种流体速度在界面处连续的其他模型。

应用范围

1883年，O·雷诺首次做了层流过渡为湍流的实验，后来人们认识到这种过渡是层流的一种失稳现象。不少自然现象和工程技术问题，例如台风形成、大气波动、边界层过渡、激光核聚变中球面压缩等，都涉及流体运动稳定性问题。如气象学中出现的波状云也被称之为开尔文-亥姆霍兹不稳定性现象，这种云通常在广阔的平原地区出现，在平原地区，风速迅速改变形成涡流，移动迅速的轻密度云朵滑动到移动缓慢的云层上，于是就制造出了波浪的视觉效果。快速移动且密度较低的云层在速度较慢且密度更高的云层上方移动，形成云浪。云浪是一层卷云内部出现湍流的结果，卷云内的气流速度和方向存在差异，导致云朵形成好似在水上翻滚的景象。

亥姆霍兹

1821 年8月31日生于柏林波茨坦，1894年9月8日卒于柏林附近夏洛滕堡。中学毕业后在军队服役8年，取得公费进入在柏林的王家医学科学院。1842年获医学博士学位后，被任命为波茨坦驻军军医。1847年他在德国物理学会发表了关于力的守恒讲演，在科学界赢得很大声望，次年担任了柯尼斯堡大学生理学副教授。亥姆霍兹在这次讲演中，第一次以数学方式提出能量守恒定律。