科學家對湍流知之甚少，例如湍流是由水以高速度從管道噴涌而出的。

科學家對湍流和過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復雜的故事，講述了它通過管道的過程。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，科學家對湍流知之甚少。關(guān)于層流如何變得湍流的了解甚少。有序流動和無序流動的混合，當流體以中等速度運動時會發(fā)生過渡流動。

現(xiàn)在，沖繩科技大學研究生院（OIST）的流體力學部門和連續(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)研究過渡流的新方法?？茖W家的發(fā)現(xiàn)（今天（2020年1月24日）在《科學進展》上發(fā)表）可能有助于提供對過渡流和湍流的更全面，概念性的理解，并在工程中得到實際應用。

左：達芬奇在湍流的水池中繪制漩渦的草圖。右：達芬奇素描中標記區(qū)域內(nèi)流動對應的能譜示意圖。信用：OIST

瑟布斯說：“湍流經(jīng)常被吹捧為古典物理學中最后一個尚未解決的問題，它對此有一定的神秘性?！?“但是，在理想條件下，我們有一個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渡流?！?/p>

尋找混亂的秩序

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

幾個世紀后的1941年，數(shù)學家安德烈·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基礎(chǔ)。

正如達芬奇的素描中所描繪的那樣，一股股流沖入水池最初會形成一個大的漩渦狀渦流，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)移到越來越小的渦流，直到最小的渦流通過水的粘度消散能量。

左：管道中的流量。在高速下，流動是湍流的，在中等速度下，流動是過渡的。過渡流是渦流和層流的混合。渦流有不同的種類?！叭印彪S著它們向下游流動而激增；“粉撲”在下游流動時保持固定大小。右：對應于標記區(qū)域內(nèi)部流動的能譜示意圖。無論流量如何變化，小渦流的能量譜都是通用的。信用：OIST

用數(shù)學語言捕獲該圖像，柯爾莫哥洛夫的理論預測了能譜，該函數(shù)描述了如何將動能（來自運動的能量）分配給不同大小的渦流。

重要的是，該理論認為小渦流的能量學是通用的，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：“這樣簡單的概念可以優(yōu)雅地闡明一個看似棘手的問題，我發(fā)現(xiàn)這確實是不尋常的?！?/p>

但是有一個問題！人們普遍認為，柯爾莫哥洛夫的理論僅適用于一小部分理想化的流動，而不適用于日常生活的流動，包括過渡流動。

為了研究這些過渡流，Cerbus和他的合作者對流過20米長，2.5厘米直徑的玻璃圓柱管的水進行了實驗。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。他們使用了一種稱為激光多普勒測速儀的技術(shù)來測量過渡管道中渦流的速度。利用這些測得的速度，他們計算出了能譜。

令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管看起來與湍流截然不同，但與過渡流中的小渦流相對應的能譜卻符合科爾摩哥羅夫理論的普遍能譜。

除了提供對過渡流的新概念理解之外，該發(fā)現(xiàn)還可以在工程中應用。在過去的二十年中，Gioia和Chakraborty的研究表明，能譜可以幫助預測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：“我們的研究將深奧的數(shù)學思想與工程師關(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為的更廣泛的適用性。這是對湍流以及向湍流過渡的令人興奮的新見解?！?/p>

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