對於任何見過海浪或快速流動的海水的人來說，湍流看起來就像純粹的混亂。強大的水流扭曲旋轉，產生漩渦，漩渦分裂成越來越小的漩渦，直到能量最終消散。
幾十年來，科學家一直相信這個過程遵循可預測的模式。在三維環境、海洋和大氣中，能量被認為從大型結構轉移到較小的結構。新的研究表明，這項規則可能不像我們想像的那麼固定。
匹茲堡大學的研究人員與義大利都靈大學的合作者合作發現，湍流中的能量流動方向實際上可以改變。他們的研究結果發表於 科學進步 在「透過二維流中的張量幾何操縱湍流能量通量的方向」一文中，它可能對醫學、海岸管理和氣候科學產生影響。
解決湍流的基本理論
這項工作由皮特斯旺森工程學院土木與環境工程系助理教授 Lei Fang 領導，與 Xinyu Si、Filippo De Lillo 和博士生 Guido Boffetta 一起領導。
「安德烈·柯爾莫哥洛夫的研究自 1941 年起就對能量流進行了預測。在像水團這樣的 3D 流中，能量從大尺度流向較小尺度。對於發生在薄水層中的 2D 流，這種流是相反的，從較小到較大，」Fang 說。
為了研究這種行為是否可以改變，方從不同的角度來處理這個問題。
“為了在不同尺度上理解這個抽象概念，”方補充道，“我根據納維-斯托克斯方程將能量流過程重新轉換為機械過程。由於這是一個機械過程，我會嘗試通過改變位移和力之間的幾何形狀來逆轉它。”
他的方法是基於張量，張量是通常用於描述應力和應變等量的數學對象。這些特性在湍流的產生中扮演重要角色。
方開發了一種基於張量對齊的幾何框架，發現能量轉移的方向取決於這些張量如何相互作用。在某些條件下，能量流可以改變方向，而不是遵循傳統預期的路徑。
“我們證明了 Fang 可以產生湍流，呈現出正向或反向的能量流。” “我們的範圍也擴展到 3D 尺度。”
實驗證實了這個理論
這個想法建立在方早期的研究基礎上，該研究表明小型游泳者可以擾亂強大的洋流。在這項新研究中，他專注於底部流動本身以及它如何與外力相互作用。
研究人員發現，當這些力以特定方式排列時，它們可以改變能量在湍流系統中的移動方式。
為了驗證這個理論，Fang 和 Si 使用由電磁力驅動的薄層水進行了實驗室實驗。水平磁場產生二維流動，同時使用一系列棒子來攪拌它。懸浮在電解質薄層中的微量顆粒使團隊能夠看到並測量液體的運動。
實驗結果與電腦模擬一致，支持了新框架的預測。
從海洋到醫學的潛在應用
引發湍流能量流的能力最終可能會在各個領域帶來實際好處。
方說：“通過這個理論框架，我們發現我們可以使用小至十米的物理障礙來破壞數千米的海洋運輸障礙。” “改變能量流的方向是可能的，這可以改善廢水或其他污染物沿海岸的擴散方式。”
這些發現也可能在醫學上有用，特別是在流體通過小於一毫米的通道移動的微流體系統中。在這種規模下，由於沒有湍流，液體往往混合不良。
“在亞毫米微流體中，由於幾乎沒有湍流，液體的粘度使混合變得困難，”Fang 補充道，“我們可以調整力和位移，以產生微弱的‘低雷諾數湍流’，從而加速試劑的混合。”
對氣候建模的影響
該研究也可能有助於未來氣候模擬的改進。
洋流和大氣環流在調節全球溫度方面發揮重要作用。隨著氣候變遷改變風型和海洋行為，作用在這些系統上的力量也可能影響能量透過湍流移動的方式。
「儘管目前這是假設，但這項研究可以改善氣候模型，」方說。 “隨著氣候變遷改變風型和洋流，風應力和洋流可以改變能量流的方向。了解造成這種變化的力量可以帶來更準確的模型。”
儘管還需要進行更多研究，但研究表明，湍流理論最完善的假設之一可能比科學家想像的更靈活。湍流能量可以在正確的條件下被引導和改變方向，而不是遵循預定的路徑。
