激光多普勒Vlyocimetry在神秘的流体运动中提供新的洞察力

科学家们对湍流知之甚少，例如由水在高速下涌出管道的水。

科学家们对动荡和过渡管道流动深入了解。

从普通的水龙头发出的水讲述了通过管道的复杂的旅程。在高速度，水龙头的涌入流是湍流的：混乱，无序 - 就像海浪的撞车。

与有序的流动流相比，像龙头在低速下的稳定流一样，科学家们对湍流知之甚少。甚至少了解层流流动如何变得湍流。有序和无序流动的混合，当流体在中间速度移动时发生过渡流。

现在，Rory Cerbus博士，Chien-Chia刘博士，Gustavo Gioia博士和Pinaki Chakraborty博士，流体力学部门的研究人员和冲绳科学技术研究生大学（OIST）的Continuum物理单位，从数十年的概念扰乱的概念理论中汲取了一种研究过渡流程的新方法。今天（1月24日）在科学推进的科学家的调查结果可能有助于提供对转型和湍流流动的更全面的，概念的理解，具有实际应用在工程中。

左：Da Vinci在湍流池中的漩涡素描。右：对应于达芬奇草图中标记区域内的流量的能谱的示意图。

“湍流通常被宣传，作为古典物理学中的最后一个未解决的问题 - 它对此有一定的神秘主义者，”Cerbus说。“但是，在理想化的条件下，我们有一个概念理论，有助于解释湍流。在我们的研究中，我们努力了解这种概念理论是否也可能在过渡流中脱光。“

发现紊乱的秩序

科学家长期以来一直被动荡的流动迷住了。在第十五世纪，Leonardo da Vinci将湍流流动作为旋流漩涡或圆形电流的集合，不同的尺寸。

几个世纪以来，1941年后，Mathematician Andrey Kolmogorov开发了一种概念理论，揭示了似乎无序漩涡的能量学的秩序。

如Davinci草图所示，将流入水池中的流初始形成大型旋流涡流，这迅速变得不稳定并且分开进入逐渐较小的漩涡。能量从大到更小的漩涡转移，直到最小的漩涡通过水的粘度消散能量。

剩下：流入管道。在高速度下，流动是湍流，中间速度，过渡。过渡流是涡流流动和层流的混合。eddying流量来自不同的品种。随着下游流动，“slugs”在流动时积极地生长;随着下游流动，“噗噗”保持固定尺寸。右：能量光谱的示意图对应于标记区域内的流动。无论流动多样，能量谱都是针对小漩涡的普遍性。

Kolmogorov的理论以数学语言捕捉此图像，预测了能量谱，该功能描述了动能 - 来自运动的能量 - 在不同尺寸的漩涡中分配。

重要的是，该理论说，小漩涡的能量学是普遍的，这意味着虽然湍流流动可能看起来不同，但所有湍流中最小的漩涡都具有相同的能谱。

“这种简单的概念可以典雅地阐明一个看似难以解决的问题，我发现它真正非凡，”Chakraborty说。

但是有一个问题！Kolmogorov的理论被广泛认为仅适用于一小组理想化流，而不是日常生活的流量，包括过渡流程。

为了研究这些过渡流程，Cerbus和他的合作者对流过20米长的2.5厘米直径的玻璃圆柱管的水进行了实验。研究人员添加了小的中空颗粒，其密度大致与水大致相同，允许它们可视化流量。它们使用称为激光多普勒测速器的技术来测量过渡管道流动中的漩涡的速度。通过这些测量的速度，它们计算了能量谱。

令人惊讶的是，研究人员发现，尽管看似不同于湍流流动，但到过渡流中的小漩涡的能谱符合来自康莫罗夫理论的通用能谱。

除了提供对转型流动的新概念理解之外，这一发现具有工程中的应用。在过去的二十年中，Gioia和Chakraborty的研究表明，能谱有助于预测流动和管道之间的摩擦 - 工程师的主要问题。管道中的摩擦越多，泵和运输油状物就越困难。

“我们的研究结合了对工程师关心的因素的深奥数学想法，”Chakraborty说。“而且，我们发现Kolmogorov的理论具有更广泛的适用性，有人认为。这是对湍流的令人兴奋的新洞察力以及转变为与湍流的过渡。“

参考：罗里T.Cerbus，Chien-Chia Liu，Gustavo Gioia和Pinaki Chakraborty，1月2020年1月24日，“大规模普遍存在的过渡管道光谱结构中的小规模普遍性”.DOI：
10.1126 / sciadv.aaw6256