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    科学家成功制造出风暴湍流,或将能破解物理学中的最大谜团之一!

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      Lv.7分子
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      居里夫人

      湍流是一种无处不在的现象,也是物理学的最大谜团之一。德国奥尔登堡大学的一个研究小组,现在已经成功地在风能研究中心(ForWind)风洞中产生了逼真的风暴湍流。猛烈的暴风雨似乎经常会留下随机的破坏:虽然一所房子的屋顶瓦片被吹走了,但邻近的财产可能根本不会受损。造成这些差异的原因是阵风——或者,正如物理学家所说的,是局部湍流,它是大尺度大气流动的结果。

      科学家成功制造出风暴湍流,或将能破解物理学中的最大谜团之一!

      但到目前为止,还不可能对其进行非常详细的预测。来自奥尔登堡大学和里昂大学的物理学家们,现在已经为研究小尺度湍流铺平了道路:由奥尔登堡物理学家约阿希姆·佩因克博士领导的团队,成功地在风洞中产生了湍流。这种流动类似于大风中的流动。其研究成果发表在《物理评论快报》期刊上,研究小组已经找到了一种从风暴中“切下”一块的方法。实验发现使该风洞成为新一代这样的设施模型,例如,在其中,湍流对风力涡轮机的影响可以被现实地研究。

      未解的方程

      表征湍流最重要的参数是所谓的雷诺数:这个物理量描述了介质中动能与摩擦力的比值。简单地说,你可以说:雷诺数越大,水流就越湍急。湍流最大谜团之一是它的统计数据:如果你观察较小的尺度,就会更频繁地发生极端事件,如强风和突如其来的阵风。研究小组“湍流、风能和随机”的负责人Peinke解释说:水流的湍流漩涡在较小的尺度上变得更加严重。因此,在强风暴中(也就是雷诺数高的时候)苍蝇受到气流条件的影响要比飞机大得多。

      科学家成功制造出风暴湍流,或将能破解物理学中的最大谜团之一!

      具体原因尚不为人所知:描述流体的物理方程在涉及湍流时尚未求解。这项任务是著名的千年数学问题之一,美国克莱数学研究所在解决这个问题上每年投入了一百万美元。在风能研究中心的大型风洞中,奥尔登堡团队现在已经成功地产生了比以往任何时候都更多的湍流风力条件。与之前的实验相比,研究人员将雷诺数增加了100倍,从而模拟了与真实风暴中遇到情况相似的条件。目前还没有看到上限,但产生的湍流已经非常接近现实。

      风洞实验

      奥尔登堡风洞有一个30米长的测试部分,四个风扇可以产生高达每小时150公里的风速,相当于一级飓风。为了创造湍流气流,研究人员使用了所谓的主动网格,这是为大型奥尔登堡风洞的特殊要求而开发的。这个结构的大小为3米乘3米,位于风洞的开始处,由近千个菱形的小铝翼组成,而且金属板是可移动的。它们可以通过80个水平轴和垂直轴在两个方向上旋转。这使得风能研究人员可以有选择地在短时间内阻塞并重新打开风洞喷嘴的小区域,导致空气旋转。

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      拉尔斯·纽豪斯(Lars Neuhaus)也是该团队的成员,在这项研究中发挥了关键作用,他解释说:有了世界上最大的活动网格,我们可以在风洞中产生许多不同的湍流风场。在实验中,研究小组以一种混乱的方式改变了栅格运动,类似于湍流中发生的情况。他们还不定期地更换球迷的电源。因此,除了小尺度湍流外,气流在风洞的纵向上产生了更大运动。研究的主要发现是,风洞气流将这两种成分结合成完美的、真实的风暴湍流,这场风暴湍流出现在活动网格后面10到20米处。

      小规模的漩涡

      通过调整风洞的栅格和风扇,风洞实验已经产生了大约十到一百米大小的湍流。同时,几米或更小的小尺度湍流自发出现。然而,仍然不知道确切的原因,这种新方法使得在风洞中将与风力涡轮机、飞机或房屋相关的大气湍流缩小到一米大小成为可能。这将允许研究人员在未来用微型模型进行现实的实验,在这些模型中,极端阵风的发生频率与真正的风暴一样频繁。

      科学家成功制造出风暴湍流,或将能破解物理学中的最大谜团之一!

      博科园|研究/来自:奥尔登堡大学

      参考期刊《物理评论快报》

      DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.154503

      博科园|科学、科技、科研、科普

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      牛顿
      很常见的湍流之谜还没有完全解开 [s-29]
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