小稀薄效应，大影响：纳维-斯托克斯湍流模拟的极限
Small Rarefaction, Large Consequences: Limits of Navier Stokes Turbulence Simulations
AI总结：
研究揭示了纳维-斯托克斯方程在湍流条件下因本构退化而出现的局限性，强调稀薄效应在剪切层中的主导作用，对高速气动学和行星探索有重要影响。
摘要：
我们利用两个互补的框架对火箭喷流冲击月球着陆表面进行了数值模拟：玻尔兹曼方程，其自然捕捉稀薄气体动力学；以及纳维-斯托克斯（NS）方程，传统湍流流体模拟的主力。我们展示出细微的稀薄效应，长期以来被认为在湍流状态下可以忽略不计，可以在剪切层中局部主导，其中由NS本构关系预测的粘性应力发生符号反转。这种现象，我们称之为本构退化，导致预测表面剪切应力和热流的相对误差在数量级上为一。我们的结果表明，湍流可以暴露NS方程的隐藏限制，对高速气动学和行星探索有广泛的影响。
英文摘要：
We conduct numerical simulations of rocket plume impingement on a lunar landing surface using two complementary frameworks: the Boltzmann equation, which naturally captures rarefied gas dynamics, and the Navier Stokes (NS) equations, the conventional workhorse for turbulent flow simulations. We show that subtle rarefaction effects, long considered negligible in turbulent regimes, can become locally dominant within shear layers where viscous stresses predicted by the NS constitutive relation undergo sign reversals. This phenomenon, which we term constitutive degeneracy, produces order-one relative errors in predicted surface shear stress and heat flux. Our results demonstrate that turbulence can expose hidden limits of NS equations with broad implications for high-speed aerodynamics and planetary exploration.
机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。
