研究人員破解了一個持久的物理學(xué)之謎

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

在EPFL物理系統(tǒng)實驗室的新興復(fù)雜性中，Tobias Schneider和他的團(tuán)隊已經(jīng)確定了解釋這種現(xiàn)象的機(jī)制。他們的研究結(jié)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(xué)的物理學(xué)的基本定律，這是一門從本科以上的所有物理和工科學(xué)生學(xué)習(xí)的科目。

但是當(dāng)湍流發(fā)揮作用時，方程的解決方案變得非線性，復(fù)雜和混亂。例如，這使得不可能在延長的時間范圍內(nèi)預(yù)測天氣。然而，湍流具有從混沌轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨冉Y(jié)構(gòu)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(jī)制仍然隱藏在方程式中。

這就是發(fā)生的情況：當(dāng)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?qū)恿?分開。沒有明顯的機(jī)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(tuán)隊解開了這個謎團(tuán)。“正如物理學(xué)家理查德費(fèi)曼所預(yù)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(qiáng)大的數(shù)學(xué)工具來驗證這一點(diǎn)。”

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(jìn)的數(shù)值模擬相結(jié)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(jié)構(gòu)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

“我們現(xiàn)在可以描述產(chǎn)生斜模式的初始不穩(wěn)定機(jī)制，”該研究的主要作者Florian Reetz解釋道。“因此，我們解決了我們領(lǐng)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(xué)。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(xué)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?qū)恿?。每?dāng)湍流形成時，例如當(dāng)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(kuò)散 - 因為在這種特殊情況下湍流比層流更強(qiáng)。因此，最終狀態(tài)是動蕩不安的。

當(dāng)形成條紋圖案時，意味著層流和湍流的強(qiáng)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(jié)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(guān)的現(xiàn)象。