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什么是“湍流”为何让科学家都对它望而生畏?

2019-02-23 23:10编辑:admin人气:


  我们在乘坐飞机时,有时会遇到飞机上下颠簸,这时候广播就会说:“我们的飞机遇到湍流,正在颠簸,请您系好安全带,不要离开座位。”

  那什么是湍流?科普工作者往往也不能用精炼的语言向公众说明。如诺贝尔物理学奖获得者、量子物理学家R·费曼(1918-1988年)称,湍流为“经典物理学尚未解决的最重要的难题”。科学家们对它望而生畏,于是,湍流被蒙上一层神秘的面纱。

  实际上,湍流现象在自然界、工业装置和日常生活中也比比皆是,比如大气中的乱云飞渡、河流中的险滩急流、热电厂上空的滚滚浓烟、在动脉中流动着的血液等。今天,我们就一起来看看让科学家都望而生畏的“湍流”到底是什么?

  水体、大气和等离子体这样的流体介质可以有两种运动状态:一种是“层流”,尽管介质的分子仍是无规则运动的,但流体团却在做有规则的运动。所以,你可以看到清晰的流线图像;另一种就是“湍流”,这时,介质的分子和流体团都在做无规则运动,所以,其迹线会缠绕成一团乱麻。早在500 多年前,达·芬奇就已经洞察到湍流的基本特征,并形象地描绘出湍流的素描图像。

  那层流与湍流的本质差异是什么呢?众所周知,流体在运动过程中,相邻流体之间会发生动量、能量和质量的交换和输运。在层流状态,这种输运主要通过无规则的分子运动进行,在湍流状态,则通过无规则的流体团运动进行。

  由于每个流体团包含了千万个分子,承载着更多的动量、能量和质量,所以,湍流用“集装箱”方式输运的效率极高,以涡粘性、热扩散、质量扩散系数表征的输运能力可以是层流状态的千万倍,尤其是湍流大尺度拟序结构的参与,可以极大地影响输运过程。根据这个原理,我们可以通过主动和被动控制湍流,除弊兴利,造福人类。

  湍流的最大危害是增加飞行器、高速列车和汽车等的阻力,我们的飞机就要消耗更多的燃料,所以,飞机设计师就要千方百计地进行减阻,比如可以采用层流翼型,可以用边界层吹吸来推迟转捩,可以应用仿生原理采用纵向小肋或锯齿状蒙皮,可以加注高分子聚合物来达到减阻的目的。

  显然,减阻可以产生巨大的经济效益,粗略估计,减小一个阻力点(阻力系数减小0.0001)可以增加8位乘客,减阻10% 可以使波音客机每年节油数百吨,航空公司提高利润40%,等等。同样的,我们发现,高速列车的噪声源来自于车头的膨胀压缩波,车身的速度剪切和车尾的旋涡脱落, 从而可采取相应措施以降低气动噪声,减轻对环境影响。

  人们也常常需要在工业生产和日常生活中利用湍流的长处,如:在燃烧器中可采用大速差/偏置射流喷注燃料,通过强剪切产生旋涡和湍流,延长驻留时间,增强掺混,提高燃烧效率;在夜间和阴天,大气边界层往往处于稳定层结状态,只有当足够强的寒流到来,近地层的大气才能打破稳定层结并转变成湍流状态,浓重的雾霾才能烟消云散。所以,在燃煤和尾气严重污染得到根本治理以前,我们仍然在很大程度上依赖天气也就不奇怪了。更饶有兴趣的是,布满小凹坑的高尔夫球,可以通过产生湍流推迟转捩以减小前后压差阻力,所以,运动员一杆可以击出250 米的远距离。

  一个多世纪以来,我们已经看到人类在湍流研究领域的巨大进展,不仅对于湍流的认识得到了深化,而且已经转化为许多实际应用,正改变着人类的生活。比如,今天我们可以乘坐波音和空客飞机,在十数小时内到达世界各地,基于雷诺平均方程的湍流模型理论在飞机设计中的作用功不可没。以上事实表明,我们完全不必像上个世纪的流体力学家H·兰姆那样悲观和无望。今天,我们已经积累了丰富的科学认识,E 级超级计算机即将问世,大涡模拟技术日趋成熟,高参数实验装置和先进测试技术正在不断取得新进展。所以,在21 世纪,我们对攻克“湍流”这一个经典物理学的难题,揭开它的神秘面纱,应该更加充满信心。返回搜狐,查看更多

(来源:未知)

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