一直困扰科学界的问题——水是怎么流动的

科技动态 2019-11-21 00:3095未知admin

在比约恩霍夫的实验室里,就像禅宗的喷泉一样,有一泉流动的活水,水流从顶部的蓄水池通过导管缓缓流入一根15米长的玻璃管,这根玻璃的管壁比温度计的玻璃壁还薄。就像生物学家精心培育细菌一样,奥地利科技学院的霍夫通过控制管内的温度和无菌情况,来使得管内的水流尽可能平稳和流畅。

霍夫仿佛在培养具有繁殖功能的生物,尽管这种生物不是活的。在这种禅宗式的完美平衡中,他偶尔会加入一点点的扰动:将少量的水从管子的侧面吹入。每一股带着漩的水沿着管道向下流动时,就像可以自我复制的细菌一样,它可能会分裂成两股,也可能会突然消失,本文中我们将它称为股流(puffs)。

霍夫认为,在这些股流的动力学过程中,蕴含着一个困扰物理学家一个多世纪的问题:湍流(紊流)到底是什么,它是如何产生的?

在130多年前,一位名叫奥斯本雷诺兹的英国工程师就已经开始了对湍流的研究,他的实验与霍夫的实验并无太大区别。雷诺兹将颜料注入流过玻璃管道的水,就可以清晰地看到湍流。他发现当水流动缓慢时颜料并不会扩散,它只会沿着直线流动研究人员称其为平稳的层流。当水的流速加快时,颜料的流动会变得蜿蜒起来。但是,当水流得再稍微快一些的时候,它就突然变得湍急起来,也就是形成了湍流:颜料会像野花一样绽开,很快就填满了整个管道。

管流的临界雷诺数很可能是自然界中最难获知的常数。

虽然管流可能是研究湍流最简单的体系。但是,研究人员到现在还没有完全解释雷诺兹观察到的现象,这是很让人惊讶的。曼彻斯特大学的汤姆穆林说:人们经常会问我,这么多年过去了,怎么还解决不了这个问题?。

这个问题没有解决,并不是因为这个问题没有价值。相反,如果我们对管道中湍流的有了全面的认识,这将会有助于阐明在多种情况下的湍流转捩。如果我们知道如何减少空气和流体中的湍流,我们可以帮助工程师更有效地用长管道泵送石油,还能制造出抗风能力更强的汽车。此外,我们还能更有效地利用湍流,比如利用飞机机翼附近的涡流将空气层拉向机翼,从而可以让飞机更缓慢,平稳地降落。

十年以来,管道中的湍流是如何产生的,这个问题的秘密终于被揭晓。2004年,马尔堡大学的布鲁诺埃克哈特和布里斯托尔大学的里奇克斯威尔在理论上发现了介于层流和湍流之间的第三种难以想象的状态行波。这种实验中出现的波,就像霍夫在他的长玻璃管中吹出的股流。2011年,霍夫与五名合作者利用股流揭示了湍流是如何产生的。他们提出,尽管这些水不是湍流,但从某种意义上说,它们是组成湍流的原子。

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