研究表明如何利用湍流来生成模式

翻滚河流的湍流运动或喷气发动机的流出是混乱的：也就是说，它不包含明显的模式。但根据一项新的研究，流体的湍流运动可以产生规则的模式。您需要的是一种称为“奇粘度”的有趣特性，该特性在某些条件下会出现，例如当流体中的颗粒全部沿同一方向旋转时。尽管这是一种特殊的情况，但自然界中的许多情况下都可能存在这种效应，例如太阳的日冕和太阳风。

芝加哥大学前博士后研究员、现任法国国家科学研究中心(CNRS)教员、该论文的共同第一作者米歇尔·弗鲁查特(MichelFruchart)说：“这种令人惊讶的效应可能会增加控制和塑造湍流的不断增长的工具箱。”描述调查结果。

这项研究由芝加哥大学、荷兰埃因霍温理工大学和法国国家科学研究中心合作完成，发表在《自然》杂志上。

混乱的本质

尽管在过去的几个世纪里我们对经典物理学了解了很多，但有一个问题仍然无法得到充分的解释：称为湍流的现象。尽管湍流每天都在我们周围出现——从头顶大气中翻腾的云层到流经我们血管的血液——但它仍然不像其他常见的物理现象那样得到很好的理解。

该出版物的共同第一作者、埃因霍温理工大学的博士生XanderdeWit表示：“湍流在自然界中可能很常见，但人们对它的了解仍然只有部分。”

尽管事实上，如果我们能够理解并控制湍流，我们也许能够实现许多突破;例如，也许我们可以设计更高效的飞机机翼、发动机和风力涡轮机。

然而，科学家们确实了解一些关于湍流的事情。如果你摇晃一瓶水，你会看到漩涡形成。它们一开始的大小与瓶子的长度大致相同;然后漩涡分裂成更小的漩涡，然后再次分裂成更小的漩涡，依此类推，直到漩涡消散。这称为级联。但如果你做同样的事情，但将水限制在薄薄的一层内，漩涡就会合并形成一个大漩涡——木星表面的大红斑就是这种现象的一个例子，弗鲁查特说。

这组科学家想知道是否有可能制造并保持中等大小的漩涡——既不是一个大漩涡，也不是越来越小的漩涡。

答案是肯定的——如果您的流体具有术语“奇数粘度”所熟知的特性。

粘度通常意味着搅拌难度的测量，例如，搅拌一罐蜂蜜比搅拌一罐水更难。在正常粘度下，运动会消耗您通过用勺子搅拌注入的能量。但“奇数粘度”改变了物体移动的方式，但不会耗散能量。它在实验室的某些罕见条件下被发现。

研究人员建立了一个模拟，其中颗粒显示出奇怪的粘度-在这种情况下，通过使流体的所有颗粒像陀螺一样旋转。然后，通过调整参数，例如粒子旋转的速度，研究人员发现了一个惊喜。在某个特定时刻，他们开始看到模式而不是随机的漩涡。

“我们发现，诀窍是创建一个混合级联，其中大涡流倾向于分裂，小涡流倾向于合并，”Fruchart说。“如果你的平衡恰到好处，你就会看到模式的形成。”

研究合著者、芝加哥大学博士生塔利·卡恩(TaliKhain)表示：“当我们第一次看到这些效应时，我们并没有完全理解我们所看到的是什么，但即使是肉眼也能看出有些不同。”“我们必须发展一种理论来解释它，这真的很令人兴奋。”

尽管并非流体中的所有粒子都像陀螺一样旋转，但自然界中也有这样的例子。例如，磁场中的电子或多原子气体确实有这种行为。

该论文的资深作者之一、芝加哥大学教授VincenzoVitelli表示：“除了太阳和太阳风之外，在多种环境下也可能存在这种效应，包括大气流动、等离子体和活性物质。”

随着科学家们努力更全面地了解他们的发现，他们希望这将有助于更好地理解湍流中涡流和波浪之间的相互作用。

“我们才刚刚开始，”维泰利说，“但我对这样的想法很着迷：你可以采用作为混乱缩影的动荡状态，并用它来创造模式——这是一个深刻的变化，只需一个以最小的尺度扭转。”