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新发现挑战了 80 年的湍流理论
长期以来，人们认为湍流遵循固定的能量传递规则，但它可能比以前认为的更加灵活。任何目睹过海浪沿着海岸线冲击的人都亲眼目睹过湍流的发生。在地表以下，水很少沿直线移动。相反，它会扭曲成称为涡流的旋转结构，这些结构会形成、分裂和[...]
来源:SciTech日报长期以来，人们认为湍流遵循固定的能量传递规则，但它可能比以前认为的更加灵活。
任何看过海浪沿着海岸线冲击的人都看到过湍流的发生。在地表以下，水很少沿直线移动。相反，它会扭曲成称为涡流的旋转结构，这些结构会形成、分裂，然后级联成更小的漩涡，直到能量消失。这个过程使湍流呈现出混乱的外观，但长期以来人们认为它遵循严格的物理规则。
这一假设现在受到质疑。
匹兹堡大学的研究人员与意大利的合作者合作发现，湍流中的能量流方向并不总是固定的。在某些条件下，它可以被改变，从而为主动控制流体如何混合和移动打开了大门。他们的研究发表在《科学进展》上，引入了一种新的方式来思考物理学中研究最多的现象之一。
挑战长期以来的假设
“自 1941 年以来，通过安德烈·柯尔莫哥洛夫 (Andrey Kolmogorov) 的研究，能量通量就被预测出来了。在水体等 3D 流动中，能量从较大的尺度转移到较小的尺度。对于发生在薄层水层中的 2D 流动，能量通量是相反的，从较小到较大，”皮特斯旺森工程学院土木与环境工程系助理教授 Fang 说。
“为了在不同尺度上理解这个抽象概念，”方补充道，“我将能量通量过程重新转换为基于纳维-斯托克斯方程的机械过程。由于这是一个机械过程，我可以尝试通过改变位移和力之间的几何形状来反转它。”
为了探索这个想法，Fang 构建了一个基于张量的数学框架，该框架描述了力和运动如何在系统中相互作用。他的分析表明，这些张量的排列决定了能量的移动方式。通过改变这种排列方式，就可以改变能量流的方向。