解开湍流：流体如何从有序转变为无序

Amaris

想解开湍流的基本机制吗？把漩涡粉碎在一起。

两个旋涡碰撞动力学的三维重建。图片来源：Ryan McKeown/HarvardSEAS

湍流无处不在——它使我们的飞机嘎嘎作响，并在我们的浴缸里形成小漩涡——但它是古典物理学中最不为人所理解的现象之一。

当一个有序的流体流破裂成小漩涡时，就会产生湍流，这些小漩涡相互作用，并破裂成更小的漩涡，这些漩涡相互作用等等，成为混乱无序的漩涡，使白水漂流变得如此有趣。但是，陷入混乱的机制让科学家们困惑了几个世纪。

当他们不明白某件事时，物理学家有一个解决办法：把它粉碎在一起。想了解宇宙的基本组成部分吗？把粒子粉碎在一起。想解开湍流的基本机制吗？把漩涡粉碎在一起。

哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员可能已经发现了一种基本的湍流形成机制，即涡流环迎面相撞，用超高分辨率相机记录结果，并使用3D可视化程序重建碰撞动力学。再加上休斯顿大学（University ofHouston）和ENS de Lyon的合作者所做的数值模拟分析，研究人员对流体系统如何从有序转变为无序获得了前所未有的见解。

每个漩涡都被染上了不同的颜色，因此研究人员可以观察到它们在剧烈碰撞时是如何相互作用的。碰撞后，光环消失在一团染料中不到一秒钟，但在这段时间内，许多物理现象发生了。

当旋涡碰撞时，边缘形成反对称波。这些波的波峰发展成手指状的细丝，在碰撞的核心之间垂直生长

首先，环相互碰撞时向外伸展，边缘形成反对称波。这些波的波峰发展成手指状的细丝，在碰撞的核心之间垂直生长。这些细丝和它们的邻居反向旋转，形成一个新的微型漩涡阵列，相互作用毫秒。这些漩涡也会形成细丝，而细丝又会形成漩涡。研究小组观察到这种级联循环的三代，每一代都和以前一样，只是更小——一个俄罗斯的无序筑巢玩偶。

除了实验之外，研究小组还开发了数值模拟，以了解击穿的动力学，并量化级联的能谱如何演变。湍流有一个非常具体和明确的能谱。

虽然这个系统比使飞机嘎嘎作响的湍流简单得多，但研究人员发现，漩涡晚期破裂时的能谱与完全发展的湍流具有相同的指示尺度。