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  • 观察从水龙头流出来的水,竟为湍流、过渡流的研究,带来新突破

    从普通水龙头流出的水,讲述了一个复杂的故事:水通过管道的旅程。在高压高速下,水龙头喷出的水流是湍急的:混乱、无序,就像海浪撞击一样。与有序的层流相比,比如水龙头在低压低速时的稳定流动,科学家们对湍流知之甚少。关于层流是如何变成湍流的更是知之甚少。过渡流是有序流动和无序流动的混合体,当流体以中等速度运动时就会发生过渡流动。

    观察从水龙头流出来的水,竟为湍流、过渡流的研究,带来新突破

    现在,冲绳科学技术大学研究生院(OIST)流体力学和连续介质物理研究所(OIST)的Rory Cerbus博士、Liu Chien-chia博士、Gustavo Gioia博士和Pinaki Chakraborty博士从数十年来的湍流概念理论中,汲取了一种新的方法来研究过渡流,其研究发现发表在《科学进展》期刊上,可能有助于对过渡流和湍流有一个更全面、更概念性的理解,并在工程上得到实际应用。湍流经常被吹捧为经典物理学中最后一个未解决的问题,因为湍流有某种神秘感。

    在无序中寻找秩

    然而,在理想化的条件下,我们有一个有助于解释湍流的概念理论。在研究中,科学家正在努力理解这个概念理论是否也可能对过渡流有所启示。长期以来,科学家们一直被湍流所吸引。在15世纪,列奥纳多·达·芬奇将湍流描述为各种大小的漩涡或环流的集合。几个世纪后的1941年,数学家安德烈·科尔莫戈罗夫发展了一个概念理论,揭示了看似无序旋涡能量学背后的秩序。正如达芬奇的素描所描绘的那样:一条小溪投入到水池中,最初会形成一个巨大的漩涡。

    观察从水龙头流出来的水,竟为湍流、过渡流的研究,带来新突破

    这个漩涡很快就会变得不稳定,并分裂成逐渐变小的漩涡。能量从大的旋涡转移到越来越小的旋涡,直到最小的旋涡通过水的粘性消散能量。通过用数学语言捕捉到这幅图像,科尔莫戈罗夫的理论预测了能谱,这是一个描述动能如何在不同大小涡流之间分配的函数。重要的是,小漩涡能量学是普遍存在的,这意味着尽管湍流看起来可能不同,但所有湍流中最小的漩涡都具有相同能谱。如此简单的概念可以优雅地阐明一个看似棘手的问题,这真的非同寻常。

    观察从水龙头流出来的水,竟为湍流、过渡流的研究,带来新突破

    但这其中有一个问题,科尔莫戈罗夫的理论被广泛认为只适用于一小部分理想化流动,而不适用于日常生活的流动,包括过渡流动。为了研究这些过渡流动,对流经一条20米长、2.5厘米直径的玻璃圆柱形管道的水进行了实验。研究人员添加了密度与水大致相同的小空心颗粒,使他们能够可视化流动。研究还使用一种名为激光多普勒测速仪的技术,来测量过渡管流中的涡流速度。根据这些测量到的速度,计算出了能谱。令人惊讶的是,研究人员发现,尽管看起来与湍流截然不同。

    观察从水龙头流出来的水,竟为湍流、过渡流的研究,带来新突破

    但与过渡流中小漩涡相对应的能谱,与科尔莫戈罗夫理论中的普遍能谱一致。这一发现不仅提供了对过渡流新的概念理解,而且在工程上也有应用。在过去的二十年里的研究表明,能谱可以帮助预测水流和管道之间的摩擦,这是工程师们主要关心的问题。管道中的摩擦越大,泵送和输送像油这样的流体就越困难。研究将深奥的数学思想与工程师关心的因素结合在一起,而且还发现,科尔莫戈罗夫的理论,比任何人想象的都具有更广泛的适用性,这是对湍流以及向湍流过渡令人兴奋的新见解!

    观察从水龙头流出来的水,竟为湍流、过渡流的研究,带来新突破

    博科园|研究/来自:冲绳科学技术大学

    参考期刊《科学进展》

    DOI: 10.1126/sciadv.aaw6256

    博科园|科学、科技、科研、科普

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