研究人員破解了一個持久的物理學之謎

幾十年來，物理學家，工程師和數(shù)學家都未能解釋流體力學中的一個顯著現(xiàn)象：流體湍流從無序混沌轉變?yōu)橥耆叫械膬A斜湍流帶模式的自然趨勢。許多科學家觀察到從混沌湍流狀態(tài)到高度結構化模式的轉變，但從未理解過。

在EPFL物理系統(tǒng)實驗室的新興復雜性中，Tobias Schneider和他的團隊已經(jīng)確定了解釋這種現(xiàn)象的機制。他們的研究結果發(fā)表在Nature Communications上。

從混亂到秩序

用于描述流體流中發(fā)生的各種現(xiàn)象的方程是眾所周知的。這些方程式捕捉了控制流體動力學的物理學的基本定律，這是一門從本科以上的所有物理和工科學生學習的科目。

但是當湍流發(fā)揮作用時，方程的解決方案變得非線性，復雜和混亂。例如，這使得不可能在延長的時間范圍內預測天氣。然而，湍流具有從混沌轉變?yōu)楦叨冉Y構化的湍流和層流帶模式的驚人趨勢。這是一個了不起的現(xiàn)象，但直到現(xiàn)在，潛在的機制仍然隱藏在方程式中。

這就是發(fā)生的情況：當流體放置在兩個平行板之間，每個平板向相反方向移動時，會產(chǎn)生湍流。起初，湍流是混亂的，然后它自組織形成規(guī)則的傾斜帶，由平靜區(qū)域(或層流)分開。沒有明顯的機制選擇帶的傾斜取向或確定周期性圖案的波長。

施耐德和他的團隊解開了這個謎團。“正如物理學家理查德費曼所預測的那樣，解決方案不是在新的方程式中找到的，而是在我們已經(jīng)可用的方程式中找到，”Schneider解釋道。“到目前為止，研究人員還沒有足夠強大的數(shù)學工具來驗證這一點。”

研究人員將一種這樣的工具(稱為動力系統(tǒng)理論)與現(xiàn)有的流體模式形成理論和先進的數(shù)值模擬相結合。他們?yōu)檫^程的每個步驟計算了特定的均衡解，使他們能夠解釋從混沌狀態(tài)到結構狀態(tài)的轉變。

“我們現(xiàn)在可以描述產(chǎn)生斜模式的初始不穩(wěn)定機制，”該研究的主要作者Florian Reetz解釋道。“因此，我們解決了我們領域中最基本的問題之一。我們開發(fā)的方法將有助于澄清湍流層流模式在許多流動問題中的混沌動力學。它們可能有一天能讓我們更好地控制流動。”

一個重要的現(xiàn)象

在流體力學中，條紋圖案的形成很重要，因為它表明湍流和層流是如何彼此不斷競爭以確定流體的最終狀態(tài)，即湍流或層流。每當湍流形成時，例如當空氣流過汽車時，就會出現(xiàn)這種競爭。湍流始于汽車車頂?shù)囊粋€小區(qū)域，但隨后它會擴散 - 因為在這種特殊情況下湍流比層流更強。因此，最終狀態(tài)是動蕩不安的。

當形成條紋圖案時，意味著層流和湍流的強度相等。然而，在實驗室的受控條件之外，這在自然界中很難觀察到。這一事實表明EPFL研究人員在解釋湍流的基本屬性方面的成功意義。他們的研究結果不僅可以解釋在實驗室中可以觀察到的現(xiàn)象，而且可以幫助更好地理解和控制自然界中發(fā)生的與流動相關的現(xiàn)象。