揭秘湍流-流体如何从有序变为无序的新见解

时间:2020-03-23 20:00 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

揭秘湍流-流体如何从有序变为无序的新见解

湍流无处不在——它让我们的飞机发出刺耳的声音,在我们的浴缸里形成微小的漩涡——但它是经典物理学中最不为人知的现象之一。

当有序的流体流动分裂成小漩涡,这些小漩涡相互作用,甚至分裂成更小的漩涡,这些小漩涡相互作用,如此等等,就形成了混乱无序的混乱大漩涡,让白水漂流变得如此有趣。

但是,这种陷入混乱的机制让科学家们困惑了几个世纪。

当物理学家们不理解什么东西时,他们有一个解决办法:把它打碎。想了解宇宙的基本组成部分吗?粉碎粒子结合在一起。想要揭示湍流的基本机制吗?一起粉碎漩涡。

哈佛大学研究人员约翰·a·保尔森工程和应用科学学院(海洋)可能已经确定了一个基本机制湍流发展正面砸涡环到对方,与ultra-high-resolution相机记录结果,重建碰撞动力学使用3 d可视化程序。通过对休斯顿大学和里昂高等商学院的合作者进行的数值模拟的分析,研究人员对流体系统如何从有序变为无序有了前所未有的了解。

这项研究发表在《科学进展》杂志上。

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“我们预测天气的能力,理解为什么一架波音747在尾流湍流的情况下仍能飞行,以及确定海洋中的全球流动,取决于我们对湍流建模的好坏,”海洋应用物理学副教授、论文通讯作者施米尔?鲁宾斯坦(Shmuel Rubinstein)表示。“然而,我们对湍流的理解仍然缺乏一个机械学的描述,来解释能量如何在越来越小的尺度级联,直到最终消散。这项研究为这种理解打开了大门。”

休斯顿大学机械工程助理教授、论文通讯作者Rodolfo Ostilla-Monico说:“试图搞清楚像湍流这样极其复杂的系统中到底发生了什么始终是一个挑战。”“在每一个长度尺度上,漩涡都在相互拉伸和压缩,从而产生一幅混乱的画面。有了这项工作,我们可以开始分离和观察简单的相互作用,以及当足够多的相互作用存在时,这些相互作用是如何产生丰富的动力的。”

自上世纪90年代以来,物理学家一直在使用涡旋对撞机来了解湍流,但之前的实验未能在碰撞陷入混沌的那一刻放慢速度并重建碰撞的力学。为了做到这一点,研究人员用高速摄像机同步了一个强大的扫描激光板——每秒可以捕捉数十万张图像——来快速实时扫描整个碰撞过程。

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他们在一个75加仑的水族箱里使用涡流炮来制造涡流。每个漩涡都被染成不同的颜色,这样研究人员就可以观察它们激烈碰撞时的相互作用。在碰撞后不到一秒钟,这些环就消失在一团染料中,但在这段时间内,许多物理现象发生了。

首先,环相互碰撞时向外拉伸,边缘形成反对称波。这些波的波峰发展成手指状的细丝,在相互碰撞的核心之间垂直生长。

这些细丝与相邻的细丝反向旋转,形成一个新的微型涡流阵列,这些微型涡流之间的相互作用可以持续几毫秒。这些涡旋也形成细丝,细丝又形成涡旋。研究小组观察了这个级联循环的三代,每一代都和以前一样,只是更小——一个混乱的俄罗斯套娃。

该论文的第一作者、海洋研究所的研究生瑞安·麦基翁(Ryan McKeown)说:“这种从大规模到小规模的类似行为非常迅速而有秩序地出现,直到它全部瓦解为乱流。”“这种级联效应真的很令人兴奋,因为它可能为这些相互作用如何运作提供一种普遍的机制,与规模无关。”

除了实验之外,研究团队还开发了数值模拟,以了解击穿的动力学,并量化级联的能谱如何演变。湍流有一个非常明确的能量谱。虽然这个系统比让飞机发出轰响的湍流要简单得多,但研究人员发现,涡旋在最后阶段破裂时的能谱,与完全发展的湍流具有相同的标度。

“这是一个很好的迹象,表明虽然这是一个不同的系统——在很短的时间内——但它正在创造同样的动荡条件。这是一个起点。”

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