觀察從水龍頭流出來的水，竟為湍流、過渡流的研究，帶來新突破！

2020-10-18 博科園

從普通水龍頭流出的水，講述了一個複雜的故事：水通過管道的旅程。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的穩定流動，科學家們對湍流知之甚少。關於層流是如何變成湍流的更是知之甚少。過渡流是有序流動和無序流動的混合體，當流體以中等速度運動時就會發生過渡流動。

現在，衝繩科學技術大學研究生院(OIST)流體力學和連續介質物理研究所(OIST)的Rory Cerbus博士、Liu Chien-chia博士、Gustavo Gioia博士和Pinaki Chakraborty博士從數十年來的湍流概念理論中，汲取了一種新的方法來研究過渡流，其研究發現發表在《科學進展》期刊上，可能有助於對過渡流和湍流有一個更全面、更概念性的理解，並在工程上得到實際應用。湍流經常被吹捧為經典物理學中最後一個未解決的問題，因為湍流有某種神秘感。

在無序中尋找秩

然而，在理想化的條件下，我們有一個有助於解釋湍流的概念理論。在研究中，科學家正在努力理解這個概念理論是否也可能對過渡流有所啟示。長期以來，科學家們一直被湍流所吸引。在15世紀，李奧納多·達·文西將湍流描述為各種大小的漩渦或環流的集合。幾個世紀後的1941年，數學家安德烈·科爾莫戈羅夫發展了一個概念理論，揭示了看似無序旋渦能量學背後的秩序。正如達文西的素描所描繪的那樣：一條小溪投入到水池中，最初會形成一個巨大的漩渦。

這個漩渦很快就會變得不穩定，並分裂成逐漸變小的漩渦。能量從大的旋渦轉移到越來越小的旋渦，直到最小的旋渦通過水的粘性消散能量。通過用數學語言捕捉到這幅圖像，科爾莫戈羅夫的理論預測了能譜，這是一個描述動能如何在不同大小渦流之間分配的函數。重要的是，小漩渦能量學是普遍存在的，這意味著儘管湍流看起來可能不同，但所有湍流中最小的漩渦都具有相同能譜。如此簡單的概念可以優雅地闡明一個看似棘手的問題，這真的非同尋常。

但這其中有一個問題，科爾莫戈羅夫的理論被廣泛認為只適用於一小部分理想化流動，而不適用於日常生活的流動，包括過渡流動。為了研究這些過渡流動，對流經一條20米長、2.5釐米直徑的玻璃圓柱形管道的水進行了實驗。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。研究還使用一種名為雷射都卜勒測速儀的技術，來測量過渡管流中的渦流速度。根據這些測量到的速度，計算出了能譜。令人驚訝的是，研究人員發現，儘管看起來與湍流截然不同。

但與過渡流中小漩渦相對應的能譜，與科爾莫戈羅夫理論中的普遍能譜一致。這一發現不僅提供了對過渡流新的概念理解，而且在工程上也有應用。在過去的二十年裡的研究表明，能譜可以幫助預測水流和管道之間的摩擦，這是工程師們主要關心的問題。管道中的摩擦越大，泵送和輸送像油這樣的流體就越困難。研究將深奧的數學思想與工程師關心的因素結合在一起，而且還發現，科爾莫戈羅夫的理論，比任何人想像的都具有更廣泛的適用性，這是對湍流以及向湍流過渡令人興奮的新見解！

博科園｜研究/來自：衝繩科學技術大學

參考期刊《科學進展》

DOI: 10.1126/sciadv.aaw6256

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