终于破解了流体力学中,数十年之久的物理之谜!

有的话,你会看的得心应手哦♪几十年来,物理学家、工程师和数学家都未能解释流体力学中一个显著的现象。许多科学家观察到这种从混沌湍流状态到高度结构化模式的转变,但从未理解过。

终于破解了流体力学中,数十年之久的物理之谜!

看本文的小伙伴有物理或工程本科及以上的吗?有的话,你会看的得心应手哦♪(^∇^*)几十年来,物理学家、工程师和数学家都未能解释流体力学中一个显著的现象:流体中湍流的自然趋势,即从无序的混沌运动到完全平行的斜湍流带模式。许多科学家观察到这种从混沌湍流状态到高度结构化模式的转变,但从未理解过。在EPFL的物理系统实验室中,Tobias Schneider和团队发现了解释这一现象的机制,其研究结果发表在《自然通讯》上。

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从混乱到有序

用来描述流体流动中发生各种现象的方程式是众所周知,这些方程捕捉了支配流体动力学的物理基本定律,这是一门从本科水平开始教授给所有物理和工程专业学生的课程。但当湍流起作用时,方程的解就会变得非线性、复杂和混沌。例如,这使得在很长一段时间内预测天气变得不可能。然而,湍流有一个令人惊讶的趋势,从混沌到一个高度结构化模式的湍流和层流带。

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  • (博科园-图示)研究人员Tobias Schneider和Florian Reetz。图片:Ecole Polytechnique Federale de Lausanne(EPFL)

这是一个引人注目的现象,但直到现在,潜在的机制仍然隐藏在方程式中。事情是这样的:当流体被放置在两个平行的板块之间,每个板块向相反的方向运动,就会产生湍流。首先,湍流是混沌的,然后它自组织形成规则的斜带,由平静区(或层流)分隔。没有明显的机制选择带的斜向取向或决定周期图样的波长。

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隐藏在简单方程式中

研究团队解开了这个谜团,施耐德解释说:正如物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)所预测的那样,解决方案不是在新的方程式中找到,而是在我们已有的方程式中找到。直到现在,研究人员还没有足够强大的数学工具来验证这一点。研究人员将一种被称为动力系统理论的工具与现有流体模式形成理论和先进的数值模拟相结合。

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他们计算了每个步骤的具体平衡解,使他们能够解释从混沌状态到结构化状态的转变。该研究的第一作者弗洛里安•雷茨解释说:我们现在可以描述产生斜向图案的最初不稳定机制,已经解决了这个领域最基本的问题之一。我们所开发的方法将有助于阐明湍流层流模式在许多流动问题中的混沌动力学,或许有一天,能让我们更好地控制流动。

一个重要的现象

在流体力学中,条纹图案的形成很重要,因为条纹图案显示了湍流和层流在决定流体最终状态时是如何不断地相互竞争。湍流或层流,当湍流形成时,比如空气流过汽车时,这种竞争就会出现。湍流从车顶的一小块区域开始,然后扩散开来——因为在这种特殊情况下,湍流比层流更强,因此,最终状态是动荡的。

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当条纹图案形成时,意味着层流和湍流的强度相等。然而,在实验室的受控条件之外,这在自然界中是很难观察到。这一事实说明了EPFL研究人员成功解释湍流基本性质的重要性。研究团队的发现不仅解释了一种可以在实验室观察到的现象,而且还有助于更好地理解和控制自然界中与流体有关的现象。

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博科园|研究/来自:联邦洛桑理工学院参考期刊《自然通讯》DOI: 10.1038/s41467-019-10208-x博科园|科学、科技、科研、科普

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