冲泡咖啡和理解湍流之间的意外联系

1883年，奥斯本·雷诺兹(OsborneReynolds)将墨水注入一根短而透明的管子中的水中，以观察其流动。他的实验表明，随着输入水流速度的增加，水流从层流(平稳且可预测)变为湍流(不稳定且不可预测)，并形成局部湍流斑块，即如今的“气流”。

他的工作推动了流体力学领域的发展，但正如实验经常发生的那样，它也引发了更多问题。例如，为什么会发生层流和湍流之间的转变，以及如何定量表征这些转变?

尽管雷诺兹未能找到答案，但由加州大学圣地亚哥分校校长杰出物理学教授NigelGoldenfeld和奥地利科学技术研究所的BjörnHof领导的国际研究小组利用统计力学解决了这个长期存在的问题。他们的研究成果发表在《自然物理学》杂志上。

这项研究的创新之处之一是，研究团队不仅从流体力学的角度看待问题，还通过统计力学来看待问题。统计力学是物理学的一个分支，它使用数学来描述含有大量粒子的系统的行为。通常，这适用于平衡系统，但湍流并不处于平衡状态，因为能量不断地进出流体。

然而，基于他们之前的研究，该团队表明，流体在管道中以非平衡相变(称为定向渗透)的形式流动，即层流和湍流之间的过渡点。如果“渗透”让你想起早晨的咖啡，那么它在这里提供了一个有用的例子。

咖啡杯里的风暴

咖啡在渗滤时，水以一定的速度穿过咖啡渣，并沿着重力方向向下流动。这种流动被称为定向渗滤。速度太快，咖啡会很淡;速度太慢，水会倒流并溅到柜台上。

最好的咖啡是水流速度足够慢，可以吸收咖啡豆的大部分风味，但又足够快，可以穿过过滤器而不倒流。这杯最好的咖啡发生在所谓的定向渗透转变阶段。

这似乎与流体湍流无关，但在早期的工作中，该团队和该领域的其他研究人员有证据表明定向渗透转变具有与层流-湍流转变相同的统计特性。

“这个问题已经存在了近150年，需要一些非常规思维才能解决，”Goldenfeld说道，他同时在雅各布斯工程学院和Halicioğlu数据科学研究所任职。“还有时间。一些团队成员已经研究这个问题的这个方面十多年了。”

事实上，2016年，霍夫研究小组在圆形几何中通过实验研究了层流-湍流转变，与此同时，戈登菲尔德和合作者也发展了层流-湍流转变理论。

尽管霍夫团队已经证明了圆形几何结构中的定向渗透，但在管道等开放几何结构中会发生什么情况仍不清楚。此外，在管道几何结构中进行实验是不切实际的。虽然圆形是无穷无尽的，但研究人员估计，在管道中进行同样的实验需要2.5英里的长度，并且需要几个世纪才能收集到必要的数据点。

为了取得进展，该团队做了两件事。首先，他们使用压力传感器观察管道中的气流，并精确测量气流如何影响彼此的运动。将数据输入分子动力学计算机模拟中，他们能够从统计上显示，在层流-湍流转变附近，气流行为与定向渗透转变非常一致。

其次，他们利用统计力学，利用相变物理学的技术，以数学方式预测了气流的行为。这也验证了定向渗透转变的假设。

通过这项研究，研究小组还从详细实验和统计力学理论中发现了一些意想不到的东西：就像高峰时段高速公路上的汽车一样，烟雾很容易造成交通堵塞。如果烟雾填满了管道的宽度，那么没有任何东西可以越过它，这意味着其他烟雾可能会在它后面堆积。

就像您可能想知道为什么会发生交通堵塞，为什么交通堵塞会在没有可识别原因的情况下自行解决一样，拥堵也会自行形成和消散，其方式可以用统计力学来描述。拥堵往往会在从层流到湍流的临界过渡点“融化”，从而让位于定向渗透过渡的特殊统计行为。

Goldenfeld评论道：“这项工作不仅结束了管道层流-湍流转变研究的一个篇章，还展示了不同科学学科的见解如何出乎意料地阐明了一个难题。如果没有统计力学的视角，理解这种典型的流体力学现象是不可能的。”

作者名单包括NigelGoldenfeld(加州大学圣地亚哥分校)、BjörnHof和VasudevanMukund(均来自奥地利科学技术研究所)、施宏彦(中央研究院物理研究所)、GauteLinga(奥斯陆大学Njord中心)、JoachimMathiesen(哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所)和GrégoireLemoult(诺曼底勒阿弗尔大学)。