无论是心脏杂音,石油 管道运输,还是颠簸的飞机,污染物的扩散,湍流在许多日常事件中都起着重要作用。但尽管司空见惯,科学家们仍然没有完全理解湍流中漩涡和涡流这种看似不可预测的行为。


现在,日本冲绳科学技术研究生院 (OIST) 的科学家与意大利热那亚大学、瑞典斯德哥尔摩 KTH 和苏黎世联邦理工学院的科学家合作开发了一种测量湍流的新技术。通过使用纤维而不是粒子,粒子是通常的测量方法,研究人员可以获得湍流的更详细图片。他们的方法于 9 月 17 日发表在《物理评论 X》杂志上。


测量湍流的新技术:纤维跟踪方法立了大功

湍流中的漩涡和涡流发生在各种尺度上。图片来源:OIST 复杂流体和流动部门


“湍流是一种非常独特和复杂的现象,它甚至被称为经典物理学中最后一个未解决的问题,”该研究的作者、OIST 复杂流体和流动部门的博士后研究员 Stefano Olivieri 博士说:“很难预测,很难模拟,也很难衡量。”


出于多种原因,测量湍流对物理学家来说是一项紧迫的挑战。湍流的特征不仅在于其混乱和随机的性质,而且还同时发生在多个尺度上。在湍流中,流体的漩涡分解成规模越来越小的涡流,直到最终涡流变得如此小而粘稠,以至于流体的动能以热量的形式传递到环境中。


目前,测量湍流的最常用方法是跟踪添加到流体中的粒子(称为示踪剂)的运动。这些粒子很小,密度与流体相似,因此以与流动相同的速度和方向移动。


但是为了观察每个流体漩涡是如何运动的,仅仅观察一个粒子如何运动是不够的。物理学家需要能够确定相距特定距离的两个粒子如何相对于彼此移动。涡流越小,两个粒子的距离就越近,以表征涡流的运动。


更具有挑战性的是,湍流的一个决定性特征是它的扩散性——湍流会随着时间的推移而分散开,示踪剂也是如此,尤其是在开放流中,如洋流。在许多情况下,示踪剂可能会迅速分散得太远,无法测量涡流的行为。


“每个示踪粒子都彼此独立移动,因此您需要大量示踪粒子才能找到相距合适的示踪粒子,”OIST 复杂流体和流动部门负责人 Marco Rosti 教授解释说。


“而且太多的示踪粒子实际上会扰乱流动,”他补充道。


为了规避这个问题,研究团队开发了一种创新且简单的解决方案:使用纤维代替示踪粒子


研究人员创建了一个计算机模拟,其中将不同长度的纤维添加到湍流中。这些纤维是刚性的,使每根纤维的末端保持固定的距离。通过跟踪每根纤维如何在流体中随时间移动和旋转,研究人员能够构建一幅包含湍流全尺寸和结构的图片。


测量湍流的新技术:纤维跟踪方法立了大功

苏黎世联邦理工学院的研究团队在封闭的水箱内产生了湍流,并跟踪了纤维的运动。图片来源:苏黎世联邦理工学院


“通过使用刚性纤维,我们可以测量相距固定距离的两个点的速度和流动方向的差异,我们可以看到这些差异如何根据涡流的大小而变化。最短的纤维也允许我们精确测量流体的动能从最大尺度转移到最小尺度的速率,然后通过热量耗散。这个值称为能量耗散率,是湍流表征中的一个关键量,”罗斯蒂教授说。


研究人员还在实验室进行了同样的实验。他们制造了两种不同的纤维,一种由尼龙制成,另一种由称为聚二甲基硅氧烷的聚合物制成。该团队通过将这两种纤维添加到含有湍流水的水箱中对这两种纤维进行了测试,发现这些纤维给出了与模拟相似的结果。


然而,科学家们强调,使用刚性纤维有一个重要的警告,因为纤维末端的整体运动受到限制。


“由于纤维的刚性,纤维末端不能相互移动,即使那是流动的方向。这意味着纤维不能像示踪粒子那样完全代表流动的运动,” Olivieri 博士解释说:“因此,在我们开始模拟或实验室实验之前,我们首先需要制定一个合适的理论,将这些运动限制考虑在内。这可能是项目中最具挑战性的部分。”


研究人员还通过向水箱中添加高浓度示踪粒子,在实验室中以传统方式测量了相同的湍流。从两种不同方法获得的结果相似,验证了纤维方法和新开发的理论提供了准确的信息。


展望未来,研究人员希望扩展他们的方法,以纳入对移动方式限制较少的柔性纤维。他们还计划开发一种理论,可以帮助测量更复杂的非牛顿流体中的湍流,这些流体的行为与水或空气不同。


“这项新技术具有很多令人兴奋的潜力,特别是对于研究像洋流这样的大型开放流动中的湍流的科学家来说,”罗斯蒂教授说:“并且能够轻松测量以前难以获得的数量,使我们离完全理解湍流又近了一步。”



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