科学家对湍流知之甚少，例如湍流是由水以高速度从管道喷涌而出的。

科学家对湍流和过渡管流有了更深入的了解

从普通水龙头流出的水讲述了一个复杂的故事，讲述了它通过管道的过程。在高速下，水龙头的水流湍急：混乱，混乱-就像海浪的撞击一样。

与有序的层流（如水龙头在低速下的稳定水流）相比，科学家对湍流知之甚少。关于层流如何变得湍流的了解甚少。有序流动和无序流动的混合，当流体以中等速度运动时会发生过渡流动。

现在，冲绳科技大学研究生院（OIST）的流体力学部门和连续体物理部门的研究人员Rory Cerbus博士，Liu Chi-chia Liu博士，Gustavo Gioia博士和Pinaki Chakraborty博士，我们从几十年的湍流概念理论中汲取了灵感，以开发研究过渡流的新方法。科学家的发现（今天（2020年1月24日）在《科学进展》上发表）可能有助于提供对过渡流和湍流的更全面，概念性的理解，并在工程中得到实际应用。

左：达芬奇在湍流的水池中绘制漩涡的草图。右：达芬奇素描中标记区域内流动对应的能谱示意图。信用：OIST

瑟布斯说：“湍流经常被吹捧为古典物理学中最后一个尚未解决的问题，它对此有一定的神秘性。” “但是，在理想条件下，我们有一个概念性理论可以帮助解释湍流。在我们的研究中，我们正在努力了解这种概念理论是否也可以阐明过渡流。”

寻找混乱的秩序

长期以来，科学家一直被湍流迷住了。在15世纪，达芬奇（Leonardo da Vinci）将湍流描述为各种大小的旋涡或圆形流的集合。

几个世纪后的1941年，数学家安德烈·科莫哥洛夫（Andrey Kolmogorov）建立了一种概念理论，揭示了看似混乱的涡流的能量学基础。

正如达芬奇的素描中所描绘的那样，一股股流冲入水池最初会形成一个大的漩涡状涡流，该涡流很快变得不稳定并分解为逐渐变小的涡流。能量从较大的涡流转移到越来越小的涡流，直到最小的涡流通过水的粘度消散能量。

左：管道中的流量。在高速下，流动是湍流的，在中等速度下，流动是过渡的。过渡流是涡流和层流的混合。涡流有不同的种类。“塞子”随着它们向下游流动而激增；“粉扑”在下游流动时保持固定大小。右：对应于标记区域内部流动的能谱示意图。无论流量如何变化，小涡流的能量谱都是通用的。信用：OIST

用数学语言捕获该图像，柯尔莫哥洛夫的理论预测了能谱，该函数描述了如何将动能（来自运动的能量）分配给不同大小的涡流。

重要的是，该理论认为小涡流的能量学是通用的，这意味着尽管湍流看上去可能不同，但所有湍流中最小的涡流具有相同的能谱。

Chakraborty说：“这样简单的概念可以优雅地阐明一个看似棘手的问题，我发现这确实是不寻常的。”

但是有一个问题！人们普遍认为，柯尔莫哥洛夫的理论仅适用于一小部分理想化的流动，而不适用于日常生活的流动，包括过渡流动。

为了研究这些过渡流，Cerbus和他的合作者对流过20米长，2.5厘米直径的玻璃圆柱管的水进行了实验。研究人员添加了密度与水大致相同的中空小颗粒，从而使它们可视化流动。他们使用了一种称为激光多普勒测速仪的技术来测量过渡管道中涡流的速度。利用这些测得的速度，他们计算出了能谱。

令人惊讶的是，研究人员发现，尽管看起来与湍流截然不同，但与过渡流中的小涡流相对应的能谱却符合科尔摩哥罗夫理论的普遍能谱。

除了提供对过渡流的新概念理解之外，该发现还可以在工程中应用。在过去的二十年中，Gioia和Chakraborty的研究表明，能谱可以帮助预测流体与管道之间的摩擦力-这是工程师的主要关切。管道中的摩擦力越大，泵送和输送像油一样的流体就越困难。

Chakraborty说：“我们的研究将深奥的数学思想与工程师关心的因素结合在一起。” “而且，我们发现，科尔摩哥罗夫的理论具有任何人都认为的更广泛的适用性。这是对湍流以及向湍流过渡的令人兴奋的新见解。”

参考：Rory T. Cerbus，刘建嘉，Gustavo Gioia和Pinaki Chakraborty撰写的“过渡管流频谱结构中的小规模通用性”，《科学进展》，2020年1月24日。