芝加哥大学的科学家们开创了一种方法，在水箱中制造一个包含湍流的“球”，这是以前从未做过的。上图显示了球在一段时间内的平均能量密度。图片来源:Takumi Matsuzawa

乱流无处不在。从拿铁咖啡和牛奶的漩涡，到飞机机翼和汽车侧面的空气动力，甚至到心脏瓣膜关闭后的血液流动，它无处不在。然而，我们还没有完全掌握它的所有规则。

一个绊脚石是物理学家的传统方法，他们通常更喜欢在不受外部因素影响的情况下研究现象。但当涉及到湍流时，比如搅拌一杯液体，勺子仍然是这个过程中不可或缺的一部分，影响着流体的行为。到目前为止，将湍流作为一个独立变量分离出来被证明是难以捉摸的。

然而，芝加哥大学的一组科学家开创了一种在水箱中制造可控湍流的方法。他们使用一圈喷气机来吹循环，直到一个孤立的湍流“球”形成并停留。

“这对我们来说是一个惊喜，”物理学家松泽拓美(Takumi Matsuzawa)说，他是发表在《自然物理学》(Nature Physics)上的一项研究的第一作者。“这就像静静地坐在野外野餐，看着50英尺外的暴风雨肆虐，”该研究的通讯作者威廉·欧文(William Irvine)教授说。

他们希望这一突破为更好地理解湍流开辟了一条新的研究途径。

“没人知道这是可能的”

湍流——不均匀混合物质中的混沌流动——是一个老问题。“它经常被引用为物理学中一个悬而未决的大问题，”欧文说。

在过去的几十年里，科学家们在描述“理想化”湍流状态的行为方面取得了进展。也就是说，没有边界或强度和时间变化等混淆变量的湍流。但要理解现实世界的湍流，还有很多东西需要理解。

欧文说:“湍流在我们周围无处不在，但物理学家认为它一直没有得到令人满意的描述。”“例如，如果你问，当我戳这个湍流区域时，我能预测接下来会发生什么吗?答案是否定的。即使是超级计算机也不行。”

研究人员用激光和高速摄像机追踪湍流。图片来源:Takumi Matsuzawa

其中一个大问题是实验中存在混淆变量。你可以通过一根管子射出一股快速的水流来制造湍流，或者通过搅拌水箱中的桨来制造湍流，但湍流总是刷在容器壁和搅拌器上，这会影响结果。

松泽、欧文和他们的合作者一直在用水箱做实验，制造“漩涡环”——就像烟圈一样，但在水中。当它们试图结合在一起制造湍流时，能量通常会在消散之前反弹回来。

但一旦他们发现了一个特殊的结构——一个有八个角的盒子，每个角都有一个涡流环发生器——奇怪的事情就发生了。

当他们反复发射在中心相遇的环时，他们看到了一个独立的湍流球体，远离罐壁。

这本身就是一个突破:“没有人知道这是可能的，”物理学研究生松泽说。“湍流非常擅长混合事物;如果你把牛奶混合到咖啡里，在完全混合之前，你只能搅拌一两次。我们能把它控制在适当的地方，这是非常令人惊讶的。”

Matsuzawa解释说，一个独立的湍流球可以让科学家使用激光和多个快速相机更精确地跟踪它的参数。这包括它的能量和它的螺旋度(一种衡量环路缠绕程度的方法)以及冲量和角动量(动量和角动量的流体等效)。

更重要的是，他们可以通过改变参数来玩弄它。他们可以改变输入的线圈是顺时针还是逆时针旋转的螺旋。他们可以改变进入的能量，或者停止添加环，观察乱流消散，或者改变环的螺旋度，观察乱流是如何随时间演变的。

“湍流是如何消散的?它是如何膨胀的?它“记住”了什么?能量是如何跨尺度传播的?湍流有不同的类型吗?我们有各种各样的问题可以问，这是一个独特的环境来问他们，”欧文说。“我真的希望这能帮助在这个领域开辟一个新的游乐场。”

参考文献:“由漩涡环供养的孤立湍流团的创造”，作者:Takumi Matsuzawa, Noah P. Mitchell, st phane Perrard和William T. M. Irvine, 2023年5月11日，Nature Physics。DOI: 10.1038 / s41567 - 023 - 02052 - 0