我是斜杠青年，一個熱愛前沿科學的“雜食性”學者！

湍流在我們的日常生活中起著關鍵作用，使飛機顛簸，影響天氣和氣候，限制了我們駕駛汽車的燃油效率，并影響了清潔能源技術。然而，科學家和工程師對預測和改變湍流體流動的方法感到困惑，長期以來，它一直是科學和工程中最具挑戰(zhàn)性的問題之一。

現(xiàn)在，佐治亞理工學院的物理學家在數(shù)值和實驗上證明，湍流可以通過一組相對較小的流體動力學控制方程的特殊解來理解和量化，這些解可以一勞永逸地為特定幾何形狀進行預計算。

Roman Grigoriev表示：“近一個世紀以來，湍流在統(tǒng)計學上一直被描述為一個隨機過程?！薄八麄兊慕Y(jié)果提供了第一個實驗性說明，即在適當短的時間尺度下，湍流的動力學是確定性的——并將其與潛在的確定性控制方程聯(lián)系起來?！?/p>

研究結(jié)果于2022年8月19日發(fā)表在《美國國家科學院院刊》上。該研究團隊由佐治亞理工學院物理學院的教授Grigoriev和Michael Schatz領導，他們在過去二十年里一直在各種研究項目上合作。

Schatz和Grigoriev與物理學院的研究生Chris Crowley、Joshua Pughe-Sanford和Wesley Toler以及Sandia國家實驗室的博士后科學家Michael Krygier一起參加了這項研究，他們作為佐治亞理工學院的研究生開發(fā)了該研究的數(shù)值求解器。

定量預測湍流的演變——事實上，幾乎是它們的任何屬性——相當困難?！皵?shù)值模擬是現(xiàn)有唯一可靠的預測方法。”“但它可能非常昂貴。該團隊研究的目標是降低預測成本?！?/p>

研究人員通過觀察狹窄在兩個獨立旋轉(zhuǎn)的圓柱體之間的弱湍流，創(chuàng)建了一個新的湍流“路線圖”——由于缺乏更熟悉的幾何形狀（如管道下流動）中存在的“最終效應”，這為團隊提供了一種獨特的方法來比較實驗觀測結(jié)果和數(shù)值計算的流。

湍流可以被認為是一輛沿著一系列道路行駛的汽車。“也許一個更好的類比是火車，它不僅按照規(guī)定的時間表遵循鐵路，而且與它所遵循的鐵路形狀相同?！?/p>

該實驗采用透明墻壁，允許完全視覺訪問，并使用最先進的流動可視化，允許研究人員通過跟蹤數(shù)百萬個懸浮熒光粒子的運動來重建流動。同時，使用先進的數(shù)值方法來計算偏微分方程（納維爾-斯托克斯方程）的遞歸解，在完全匹配實驗條件下控制流體流動。

眾所周知，湍流體流動表現(xiàn)出一系列模式——在現(xiàn)場被稱為“相干結(jié)構”——具有明確的空間輪廓，但以明顯隨機的方式出現(xiàn)和消失。通過分析他們的實驗和數(shù)值數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)這些流動模式及其演變類似于他們計算的特殊解決方案所描述的。這些特殊解決方案既是反復出現(xiàn)的，也是不穩(wěn)定的，這意味著它們描述了短時間內(nèi)重復的流動模式。湍流跟蹤一個接一個這樣的解決方案，這解釋了可以出現(xiàn)哪些模式，以及以什么順序出現(xiàn)。

循環(huán)解決方案，兩個頻率

“該團隊在這個幾何中找到的所有循環(huán)解都是準周期性的——也就是說，以兩種不同的頻率為特征?！币粋€頻率描述了流體模式圍繞流對稱軸的整體旋轉(zhuǎn)，而另一個頻率描述了與該模式共旋轉(zhuǎn)的參考系中流模式形狀的變化。相應的流在這些共旋轉(zhuǎn)的幀中定期重復。

“然后，他們將實驗和直接數(shù)值模擬中的湍流與這些循環(huán)溶液進行了比較，并發(fā)現(xiàn)只要湍流持續(xù)存在，湍流就會緊隨（跟蹤）一個又一個循環(huán)溶液?！薄斑@種定性行為被預測到低維混沌系統(tǒng)，例如著名的洛倫茲模型，該模型在六十年前作為大大簡化的大氣模型而衍生出來。”

Grigoriev表示：這項工作是首次對湍流中實際觀察到的混沌運動跟蹤循環(huán)溶液的實驗觀測?！爱斎?，由于循環(huán)溶液的準周期性，湍流的動力學要復雜得多?！?/p>

“使用這種方法，他們最終證明了這些結(jié)構很好地捕捉到了空間和時間的湍流組織。”“這些結(jié)果為在相干結(jié)構方面表示湍流奠定了基礎，并利用其時間持久性來克服混沌對他們預測、控制和工程流體流動能力的破壞性影響?！?/p>

3D流體流動的新動態(tài)基礎

這些發(fā)現(xiàn)最直接地影響了仍在試圖理解流體湍流的物理學家、數(shù)學家和工程師社區(qū)，流動“也許仍然是所有科學中最大的未解決問題”。

“這項工作建立并擴展了同一小組之前關于流體湍流的工作，其中一些工作于2017年在佐治亞理工學院報道?！薄芭c該出版物中討論的工作不同，該出版物專注于理想化的二維流體流動，目前的研究涉及實際重要和更復雜的三維流。”

歸根結(jié)底，該團隊的研究為流體湍流奠定了數(shù)學基礎，流體湍流本質(zhì)上是動態(tài)的，而不是統(tǒng)計性的，因此有能力進行定量預測，這對各種應用至關重要。

“它可以使我們能夠大幅提高天氣預報的準確性，最重要的是，能夠預測颶風和龍卷風等極端事件。”“動態(tài)框架對于我們設計具有所需特性的流量的能力也至關重要，例如，減少車輛周圍的阻力以提高燃油效率，或加強公共交通以幫助在新興的直接空氣捕獲行業(yè)中從大氣中去除更多的二氧化碳?！?/p>

了解最新前沿科學，關注我就是你最好的選擇！

?