从有序到无序，一步步拆解湍流！
湍流无处不在，它存在于高速行驶的飞机尾流之中，也存在于装满水的浴缸里。如此随处可见的存在，却是经典物理学中最不为人知的现象之一。湍流的精髓在于通过漩涡的形成、相互作用和消亡，将能量从最大尺度注入到最小尺度。简单说来，就是有序的流体流动会形成一个个的漩涡，这些漩涡会相互作用，分裂成更小的漩涡，然后更小的漩涡继续相互作用，如此等等……
但是，这种混沌却已经困扰了科学家们好几个世纪。目前，还没有一个机械论框架可以解析漩涡之间的相互作用是如何驱动这样一种能量级联的。
当遇到难以理解的事物时，有一种物理学家常会采用的解决方法，那就是将这些事物放到一起彻底“击碎”。比如为了理解宇宙的基本组成部分，他们将粒子加速然后让它们发生碰撞。这一次，为了揭示湍流的基本机制，物理学家决定让漩涡与漩涡发生碰撞！
两个涡环在碰撞之后的3D建模。| 图片来源: Ryan McKeown/Harvard SEAS
近日，哈佛大学的研究人员通过使用超高分辨率摄像机，拍摄下了两个涡环的迎面相撞。之后，他们再利用一种3D可视化程序对碰撞过程进行了重建，确定了湍流演化的一个基本机制。他们将这项研究发表在了《科学进展》杂志上。
来自休斯顿大学和里昂高等师范学校的研究人员是这篇论文的合著者，他们对此过程进行了数值模拟分析。3D的模型重建与数值模拟的结合，让研究人员对流体系统是如何从有序变为无序的有了前所未有的了解。
论文的通讯作者之一是哈佛大学的应用物理学家Shmuel Rubinstein，他介绍说：“我们预测天气的能力，理解为什么一架波音747在湍流中仍能飞行，以及确定全球洋流的能力，都取决于我们所建立的湍流模型的好坏。然而，我们对湍流的理解仍然缺乏一个可以解释能量是如何在越来越小的尺度上级联，直到最终消散的机械学描述。而这项研究为这种理解打开了一扇大门。”
休斯顿大学的机械工程师Rodolfo Ostilla-Monico是该论文的另一位通讯作者，他表示：“要弄清楚在湍流这类极其复杂的系统中究竟发生了什么，始终是一个挑战。在每一个空间尺度上，漩涡都在相互拉伸和压缩，从而造成一幅混乱的画面。而这项新的研究使我们可以将这些相互作用分离出来进行观察，并了解当有大量这样的相互作用存在时，这些相互作用是如何产生丰富的动态的。”
自上世纪90年代以来，物理学家就开始使用涡旋对撞机来研究湍流，但之前的那些实验都未能在碰撞发生时，对产生混沌的那一刻进行慢放和力学重建。因此在新的研究中，他们用高速摄像机同步了一个强大的扫描激光片，它每秒可以捕捉数十万张图像，从而做到快速且实时地扫描整个碰撞过程。
涡旋炮在一个75加仑的水箱中产生涡环。每个涡环被染成不同颜色，以方便研究人员观察它们的相互作用。| 图片来源：Harvard SEAS
在实验中，他们在一个75加仑的水箱里用涡流炮来制造涡环。每个涡环都被染成不同的颜色，这样研究人员就可以观察它们在发生激烈碰撞时的相互作用。在碰撞后不到一秒钟的时间里，这些环就消散在一片染料之中，但在这段时间里，发生了许多有趣的物理现象。
首先，当涡环相互碰撞时，它们会被向外拉伸，其边缘会形成反对称的波。这些波的波峰会发展成像手指一样的丝状物，沿着垂直于碰撞发生的核心生长。
当涡旋相撞时，涡旋的边缘会形成反对称波。这些波的波峰会发展成手指状的细丝，在碰撞的核心之间垂直生长。| 图片来源：Harvard SEAS
这些“手指”的旋转方向与相邻“手指”相反，于是形成一个新的微型漩涡阵列，这种微型漩涡之间的相互作用会持续几毫秒。这些微型漩涡也会形成细丝，从而又形成漩涡。研究团队对三代这样的级联循环进行了观察，发现每一代都和之前一代一样，只是会变得更小，整个过程就好比一个混沌版的俄罗斯套娃。
论文的第一作者Ryan McKeown说：“在全部分解成湍流之前，这种从大尺度到小尺度上的相似行为出现得非常迅速而有序。这种级联效应真的很令人兴奋，因为它可能为解析这些相互作用是如何运作的提供了一种与尺度无关的普遍机制。”
除了实验之外，为了理解湍流形成的动力学并量化级联的能谱会如何演变，研究团队还进行了数值模拟。湍流具有一个非常明确的能谱。虽然研究人员所模拟的系统比让飞机发出轰响的湍流要简单得多，但他们发现，在后期形成的漩涡的能谱，与前面形成得更完整的湍流具有相同的模式。
McKeown说：“这是一个很好的迹象，它表明虽然这是一个不同的系统，但它能创造出相同的湍流，是一个起点。”
原文标题：“Unraveling turbulence”，于2020年2月28日发表于SEAS。
原文链接：https://www.seas.harvard.edu/news/2020/02/unraveling-turbulence，中文内容略有编辑，仅供参考，一切内容以原文为准。
来源：原理微信公众号（ID：principia1687），作者：Leah Burrows。
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