纖維跟蹤方法為湍流提供了重要的新見(jiàn)解

湍流是隨機(jī)的、混亂的并且發(fā)生在許多尺度上，這使得它們很難測(cè)量

科學(xué)家們現(xiàn)在開(kāi)發(fā)了一種新的和改進(jìn)的測(cè)量湍流的方法，使用纖維而不是示蹤粒子

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)測(cè)試了他們的方法

研究人員使用不同長(zhǎng)度的纖維來(lái)測(cè)量許多不同尺度的湍流

最短的纖維使團(tuán)隊(duì)能夠測(cè)量能量耗散率，這是表征湍流所需的關(guān)鍵量

無(wú)論是心臟雜音和石油管道運(yùn)輸，還是顛簸的飛機(jī)和污染物的擴(kuò)散，湍流在許多日常事件中都起著重要作用。但盡管司空見(jiàn)慣，科學(xué)家們?nèi)匀粵](méi)有完全理解湍流中漩渦和渦流看似不可預(yù)測(cè)的行為。

現(xiàn)在，沖繩科學(xué)技術(shù)研究生院 (OIST) 的科學(xué)家與熱那亞大學(xué)、瑞典斯德哥爾摩 KTH 和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家合作開(kāi)發(fā)了一種測(cè)量湍流的新技術(shù)， 瑞士。通過(guò)使用纖維而不是粒子——通常的測(cè)量方法——研究人員可以獲得湍流的更詳細(xì)圖片。他們的方法于 9 月 17 日發(fā)表在《物理評(píng)論 X》雜志上。

“湍流是一種非常獨(dú)特和復(fù)雜的現(xiàn)象，它甚至被稱為經(jīng)典物理學(xué)中最后一個(gè)未解決的問(wèn)題，”該研究的作者、OIST復(fù)雜流體和流動(dòng)部門(mén)的博士后研究員 Stefano Olivieri 博士說(shuō)。“很難預(yù)測(cè)，很難模擬，也很難衡量。”

出于多種原因，測(cè)量湍流對(duì)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)緊迫的挑戰(zhàn)。湍流的特征不僅在于其混亂和隨機(jī)的性質(zhì)，而且還同時(shí)發(fā)生在多個(gè)尺度上。在湍流中，流體的漩渦分解成規(guī)模越來(lái)越小的渦流，直到最終渦流變得如此小而粘稠，以至于流體的動(dòng)能以熱量的形式傳遞到環(huán)境中。

目前，測(cè)量湍流的最常用方法是跟蹤添加到流體中的粒子(稱為示蹤劑)的運(yùn)動(dòng)。這些粒子很小，密度與流體相似，因此以與流動(dòng)相同的速度和方向移動(dòng)。

但是為了觀察每個(gè)流體漩渦是如何運(yùn)動(dòng)的，僅僅觀察一個(gè)粒子如何運(yùn)動(dòng)是不夠的。物理學(xué)家需要能夠確定相距特定距離的兩個(gè)粒子如何相對(duì)于彼此移動(dòng)。渦流越小，兩個(gè)粒子的距離就越近，以表征渦流的運(yùn)動(dòng)。

更具有挑戰(zhàn)性的是，湍流的定義特征之一是它的擴(kuò)散性——湍流會(huì)隨著時(shí)間的推移而散開(kāi)，示蹤劑也會(huì)散開(kāi)，尤其是在開(kāi)放流中，如洋流。在許多情況下，示蹤劑可能會(huì)迅速分散得太遠(yuǎn)，無(wú)法測(cè)量渦流的行為。

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