從普通水龍頭流出的水，講述了一個(gè)復(fù)雜的故事：水通過(guò)管道的旅程。在高壓高速下，水龍頭噴出的水流是湍急的：混亂、無(wú)序，就像海浪撞擊一樣。與有序的層流相比，比如水龍頭在低壓低速時(shí)的穩(wěn)定流動(dòng)，科學(xué)家們對(duì)湍流知之甚少。

關(guān)于層流是如何變成湍流的更是知之甚少。過(guò)渡流是有序流動(dòng)和無(wú)序流動(dòng)的混合體，當(dāng)流體以中等速度運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)發(fā)生過(guò)渡流動(dòng)。

現(xiàn)在，沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院(OIST)流體力學(xué)和連續(xù)介質(zhì)物理研究所(OIST)的Rory Cerbus博士、Liu Chien-chia博士、Gustavo Gioia博士和Pinaki Chakraborty博士從數(shù)十年來(lái)的湍流概念理論中，汲取了一種新的方法來(lái)研究過(guò)渡流，其研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上，可能有助于對(duì)過(guò)渡流和湍流有一個(gè)更全面、更概念性的理解，并在工程上得到實(shí)際應(yīng)用。湍流經(jīng)常被吹捧為經(jīng)典物理學(xué)中最后一個(gè)未解決的問(wèn)題，因?yàn)橥牧饔心撤N神秘感。

在無(wú)序中尋找秩

然而，在理想化的條件下，我們有一個(gè)有助于解釋湍流的概念理論。在研究中，科學(xué)家正在努力理解這個(gè)概念理論是否也可能對(duì)過(guò)渡流有所啟示。長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們一直被湍流所吸引。在15世紀(jì)，列奧納多·達(dá)·芬奇將湍流描述為各種大小的漩渦或環(huán)流的集合。幾個(gè)世紀(jì)后的1941年，數(shù)學(xué)家安德烈·科爾莫戈羅夫發(fā)展了一個(gè)概念理論，揭示了看似無(wú)序旋渦能量學(xué)背后的秩序。正如達(dá)芬奇的素描所描繪的那樣：一條小溪投入到水池中，最初會(huì)形成一個(gè)巨大的漩渦。

這個(gè)漩渦很快就會(huì)變得不穩(wěn)定，并分裂成逐漸變小的漩渦。能量從大的旋渦轉(zhuǎn)移到越來(lái)越小的旋渦，直到最小的旋渦通過(guò)水的粘性消散能量。通過(guò)用數(shù)學(xué)語(yǔ)言捕捉到這幅圖像，科爾莫戈羅夫的理論預(yù)測(cè)了能譜，這是一個(gè)描述動(dòng)能如何在不同大小渦流之間分配的函數(shù)。重要的是，小漩渦能量學(xué)是普遍存在的，這意味著盡管湍流看起來(lái)可能不同，但所有湍流中最小的漩渦都具有相同能譜。如此簡(jiǎn)單的概念可以?xún)?yōu)雅地闡明一個(gè)看似棘手的問(wèn)題，這真的非同尋常。

但這其中有一個(gè)問(wèn)題，科爾莫戈羅夫的理論被廣泛認(rèn)為只適用于一小部分理想化流動(dòng)，而不適用于日常生活的流動(dòng)，包括過(guò)渡流動(dòng)。為了研究這些過(guò)渡流動(dòng)，對(duì)流經(jīng)一條20米長(zhǎng)、2.5厘米直徑的玻璃圓柱形管道的水進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。研究人員添加了密度與水大致相同的小空心顆粒，使他們能夠可視化流動(dòng)。研究還使用一種名為激光多普勒測(cè)速儀的技術(shù)，來(lái)測(cè)量過(guò)渡管流中的渦流速度。根據(jù)這些測(cè)量到的速度，計(jì)算出了能譜。令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管看起來(lái)與湍流截然不同。

但與過(guò)渡流中小漩渦相對(duì)應(yīng)的能譜，與科爾莫戈羅夫理論中的普遍能譜一致。這一發(fā)現(xiàn)不僅提供了對(duì)過(guò)渡流新的概念理解，而且在工程上也有應(yīng)用。在過(guò)去的二十年里的研究表明，能譜可以幫助預(yù)測(cè)水流和管道之間的摩擦，這是工程師們主要關(guān)心的問(wèn)題。管道中的摩擦越大，泵送和輸送像油這樣的流體就越困難。研究將深?yuàn)W的數(shù)學(xué)思想與工程師關(guān)心的因素結(jié)合在一起，而且還發(fā)現(xiàn)，科爾莫戈羅夫的理論，比任何人想象的都具有更廣泛的適用性，這是對(duì)湍流以及向湍流過(guò)渡令人興奮的新見(jiàn)解！

博科園｜研究/來(lái)自：沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)

參考期刊《科學(xué)進(jìn)展》

DOI: 10.1126/sciadv.aaw6256

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