解开湍流：流体如何从紊乱转​​变为紊乱

两个涡流的碰撞动力学的3D重构。

无处不在的湍流 - 它揉搓我们的平面并在我们的浴缸里制作微小的漩涡 - 但它是古典物理学中最不理解的现象之一。

当一个有序的流体流入彼此相互作用并且彼此相互作用的小涡流中断时发生湍流，并成为彼此相互作用的更小的涡流，成为使白水漂流的混乱茂的混乱茂密的骚动。

但是，陷入混乱的机制令人困惑的科学家几个世纪。

当他们不了解某些东西时，物理学家有一个去解决方案：粉碎它。想了解宇宙的基本构建块吗？一起粉碎颗粒。想要解开湍流的潜在机制？粉碎涡旋在一起。

哈佛John A.保尔森工程和应用科学学院的研究人员可能已经确定了一种通过粉碎涡旋戒指彼此开发的根本机制，通过超高分辨率相机记录结果，以及使用3D可视化程序重建碰撞动态。再加上由休斯顿大学和ENS de Lyon的合作者进行的数值模拟的分析，研究人员已经探险了解流体系统如何从顺序转换到紊乱。

研究在科学进步中描述。

“我们预测天气的能力，了解为什么波音747在其唤醒时源于动荡的电流，并确定海洋中的全球流动取决于我们模型湍流的程度，”海洋应用物理副教授的Shmuel Rubinstein说，“Shmuel Rubinstein说和本文的相应作者。“然而，我们对湍流的理解仍然缺乏机械描述，该机械描述介绍了能量级联如何降低较小且较小的尺度，直到最终散发。这项研究打开了那种理解的门。“

涡旋大炮火灾在75加仑的水族馆中发射以生产漩涡。每个涡旋都染色了不同的颜色，因此研究人员可以观察他们的互动。

“试图在一个超越的系统中对湍流发生的更加复杂的系统感到挑战，”休斯顿大学机械工程助理教授Rodolfo Ostilla-Mónico说，以及本文的相应作者。“在每个长度级，涡流都是紧张和压缩彼此以产生混沌图片。通过这项工作，我们可以开始孤立并观察简单的对交互，以及这些如何导致其存在足够的动态。“

物理学家一直在使用漩涡侵占者来了解自20世纪90年代以来的湍流，但之前的实验并没有能够减速并重建碰撞的机制，这一刻它下降到混乱中。为此，研究人员将一个强大的扫描激光片同步，具有高速相机 - 能够每秒捕捉数十万图像 - 以实时快速扫描整个碰撞。

他们在75加仑的水族馆中使用了涡轮大炮来生产漩涡。每个涡旋都染色了不同的颜色，因此研究人员可以在猛烈地碰撞时观察它们的互动。在碰撞之后，戒指消失在染料泡沫中需要不到一秒钟，但在那段时间内，很多物理就发生了很多。

当涡流碰撞时，边缘形成反对称波。这些波的顶部发展成指状丝，其在碰撞芯之间垂直于垂直于孔。

首先，当它们互相粉碎时，环向外拉伸，边缘形成反对称波。这些波的顶部发展成指状丝，其在碰撞芯之间垂直于垂直于孔。

这些长丝与邻居反向旋转，创建了一个新的微型涡旋，彼此相互作用，以毫秒互动。这些涡流也形成了长丝，又形成了涡流。研究团队观察了三代这种层叠循环，每个级联都如前所述，只有较小的俄罗斯筑巢娃娃。

“这种类似的行为在大规模到小规模中出现了非常迅速有序，并且在这一切都崩溃到湍流之前，”海洋的研究生和纸张的第一个作者瑞安麦克奈说。“这种级联效果非常令人兴奋，因为它可以指向这些相互作用如何工作的普遍机制，无关。”

除了实验外，研究团队还开发了数字模拟，以了解击穿的动态，并量化级联的能谱如何发展。湍流具有非常具体和明确的能量谱。虽然该系统比摇滚飞机的湍流更简单，但研究人员发现，涡流后期衰弱的能谱遵循相同的讲述湍流的讲述。

“这是一个很好的迹象，虽然这是一个不同的系统 - 对于短暂的时间 - 它正在创造相同的湍流条件。这是一个起点，“麦克奈说。

参考：Michael P.Brenner和Shmuel M. Rubinstein的Ryan Mckeown，Rayan Mckeown，Royolfo Ostilla-Mónico，Michael P.Brenner和Shmuel M. Rubinstein，Michael P.Brenner和Shmuel M. Rubinstein，Science Intaplands.do:00：
10.1126 / sciadv.aaz2717

该研究由Alain Pumir，Ens de Lyon的物理学教授和应用数学和应用物理学的Glover教授Michael P. Brenner和Michael P. Brenner教授共同撰写。

国家科学基金会通过哈佛材料研究科学和工程中心（MRSEC）于拨款号DMR-1420570并通过拨款号DMS-1411694和DMS-1715477的数学科学划分提供支持。