科學(xué)家對(duì)湍流知之甚少，例如湍流是由水以高速度從管道噴涌而出的。

科學(xué)家對(duì)湍流和過(guò)渡管流有了更深入的了解

從普通水龍頭流出的水講述了一個(gè)復(fù)雜的故事，講述了它通過(guò)管道的過(guò)程。在高速下，水龍頭的水流湍急：混亂，混亂-就像海浪的撞擊一樣。

與有序的層流（如水龍頭在低速下的穩(wěn)定水流）相比，科學(xué)家對(duì)湍流知之甚少。關(guān)于層流如何變得湍流的了解甚少。有序流動(dòng)和無(wú)序流動(dòng)的混合，當(dāng)流體以中等速度運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生過(guò)渡流動(dòng)。

現(xiàn)在，沖繩科技大學(xué)研究生院（OIST）的流體力學(xué)部門和連續(xù)體物理部門的研究人員Rory Cerbus博士，Liu Chi-chia Liu博士，Gustavo Gioia博士和Pinaki Chakraborty博士，我們從幾十年的湍流概念理論中汲取了靈感，以開發(fā)研究過(guò)渡流的新方法。科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)（今天（2020年1月24日）在《科學(xué)進(jìn)展》上發(fā)表）可能有助于提供對(duì)過(guò)渡流和湍流的更全面，概念性的理解，并在工程中得到實(shí)際應(yīng)用。

左：達(dá)芬奇在湍流的水池中繪制漩渦的草圖。右：達(dá)芬奇素描中標(biāo)記區(qū)域內(nèi)流動(dòng)對(duì)應(yīng)的能譜示意圖。信用：OIST

瑟布斯說(shuō)：“湍流經(jīng)常被吹捧為古典物理學(xué)中最后一個(gè)尚未解決的問題，它對(duì)此有一定的神秘性。” “但是，在理想條件下，我們有一個(gè)概念性理論可以幫助解釋湍流。在我們的研究中，我們正在努力了解這種概念理論是否也可以闡明過(guò)渡流。”

尋找混亂的秩序

長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家一直被湍流迷住了。在15世紀(jì)，達(dá)芬奇（Leonardo da Vinci）將湍流描述為各種大小的旋渦或圓形流的集合。

幾個(gè)世紀(jì)后的1941年，數(shù)學(xué)家安德烈·科莫哥洛夫（Andrey Kolmogorov）建立了一種概念理論，揭示了看似混亂的渦流的能量學(xué)基礎(chǔ)。

正如達(dá)芬奇的素描中所描繪的那樣，一股股流沖入水池最初會(huì)形成一個(gè)大的漩渦狀渦流，該渦流很快變得不穩(wěn)定并分解為逐漸變小的渦流。能量從較大的渦流轉(zhuǎn)移到越來(lái)越小的渦流，直到最小的渦流通過(guò)水的粘度消散能量。

左：管道中的流量。在高速下，流動(dòng)是湍流的，在中等速度下，流動(dòng)是過(guò)渡的。過(guò)渡流是渦流和層流的混合。渦流有不同的種類。“塞子”隨著它們向下游流動(dòng)而激增；“粉撲”在下游流動(dòng)時(shí)保持固定大小。右：對(duì)應(yīng)于標(biāo)記區(qū)域內(nèi)部流動(dòng)的能譜示意圖。無(wú)論流量如何變化，小渦流的能量譜都是通用的。信用：OIST

用數(shù)學(xué)語(yǔ)言捕獲該圖像，柯爾莫哥洛夫的理論預(yù)測(cè)了能譜，該函數(shù)描述了如何將動(dòng)能（來(lái)自運(yùn)動(dòng)的能量）分配給不同大小的渦流。

重要的是，該理論認(rèn)為小渦流的能量學(xué)是通用的，這意味著盡管湍流看上去可能不同，但所有湍流中最小的渦流具有相同的能譜。

Chakraborty說(shuō)：“這樣簡(jiǎn)單的概念可以優(yōu)雅地闡明一個(gè)看似棘手的問題，我發(fā)現(xiàn)這確實(shí)是不尋常的。”

但是有一個(gè)問題！人們普遍認(rèn)為，柯爾莫哥洛夫的理論僅適用于一小部分理想化的流動(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，Cerbus和他的合作者對(duì)流過(guò)20米長(zhǎng)，2.5厘米直徑的玻璃圓柱管的水進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。研究人員添加了密度與水大致相同的中空小顆粒，從而使它們可視化流動(dòng)。他們使用了一種稱為激光多普勒測(cè)速儀的技術(shù)來(lái)測(cè)量過(guò)渡管道中渦流的速度。利用這些測(cè)得的速度，他們計(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)渡流中的小渦流相對(duì)應(yīng)的能譜卻符合科爾摩哥羅夫理論的普遍能譜。

除了提供對(duì)過(guò)渡流的新概念理解之外，該發(fā)現(xiàn)還可以在工程中應(yīng)用。在過(guò)去的二十年中，Gioia和Chakraborty的研究表明，能譜可以幫助預(yù)測(cè)流體與管道之間的摩擦力-這是工程師的主要關(guān)切。管道中的摩擦力越大，泵送和輸送像油一樣的流體就越困難。

Chakraborty說(shuō)：“我們的研究將深?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，我們發(fā)現(xiàn)，科爾摩哥羅夫的理論具有任何人都認(rèn)為的更廣泛的適用性。這是對(duì)湍流以及向湍流過(guò)渡的令人興奮的新見解。”

參考：Rory T. Cerbus，劉建嘉，Gustavo Gioia和Pinaki Chakraborty撰寫的“過(guò)渡管流頻譜結(jié)構(gòu)中的小規(guī)模通用性”，《科學(xué)進(jìn)展》，2020年1月24日。