作者:加州大学圣巴巴拉分校哈里森·塔索夫
紊流附面层中的大涡流
信用:M
Gad-el-Hak 动荡让许多人感到不安或彻底反胃
这也让研究人员头疼
一个多世纪以来，数学家们一直试图理解当流体与边界相互作用时产生的湍流，但是一个公式被证明是难以捉摸的
现在，由加州大学圣巴巴拉分校的比约恩·比尔尼尔教授和奥斯陆大学的路易莎·昂赫鲁塔教授领导的一个国际数学家团队已经发表了一份关于边界层湍流的完整描述
这篇论文发表在《物理评论研究》上，综合了几十年来关于这个主题的工作
该理论将经验观察与纳维尔-斯托克斯方程(流体动力学的数学基础)结合成一个数学公式
1920年前后，匈牙利物理学家西奥多·冯·卡门和德国物理学家路德维希·普朗特首次描述了这一现象，他们是流体动力学领域的两位杰出人物
“他们正在钻研所谓的边界层湍流，”复杂和非线性科学中心主任比尔尼尔说
这是流动与边界相互作用时产生的湍流，例如流体表面、管壁、地球表面等
普朗特通过实验发现，他可以根据接近边界的程度将边界层分成四个不同的区域
粘性层紧挨着边界形成，湍流被流动的厚度所阻尼
接下来是一个过渡缓冲区，接着是惯性区，那里湍流最充分
最后是尾流，根据冯·卡曼的公式，边界层流动受边界影响最小
流体在远离边界的地方流动得更快，但是它的速度以一种非常特殊的方式变化
它的平均速度在粘性层和缓冲层中增加，然后在惯性层中转变成对数函数
普朗特和冯·卡曼发现的这个“对数定律”让研究人员感到困惑，他们试图理解它来自哪里以及如何描述它
边界层不同部分中流体的平均速度曲线(黑色)和方差(蓝色)
信用:Birnir等人 气流的变化——或者说与平均速度的偏差——也显示了边界层的特殊行为
研究人员试图理解这两个变量，并推导出可以描述它们的公式
20世纪70年代，澳大利亚机械工程师阿尔伯特·艾伦·汤森提出平均速度曲线的形状受附在边界上的涡流的影响
如果是真的，它可以解释曲线穿过不同层的奇怪形状，以及对数定律背后的物理学，Birnir说
快进到2010年，伊利诺伊大学的数学家发布了一份关于这些附加涡旋的正式描述，包括公式
该研究还描述了这些涡流如何将能量从边界转移到流体的其余部分
“漩涡有一个完整的层次结构，”比尔尼尔说
较小的涡旋给大涡旋提供能量，大涡旋一直到达惯性层，这有助于解释对数定律
然而，也有分离的涡流，它们可以在流体中传播，这些涡流在边界层湍流中也起着重要作用
Birnir和他的合著者专注于导出这些的正式描述
“我们在这篇论文中展示的是，为了得到平均速度曲线的精确形状，你需要在理论中也包括这些分离的涡流，”他说
他们的团队将所有这些见解结合起来，推导出平均速度和变化的数学公式，这是普朗特和冯·卡曼在大约100年前首次提出的
然后，他们将他们的公式与计算机模拟和实验数据进行比较，验证他们的结果
对边界湍流更好的理解可以揭示地球的喷流
信用:美国宇航局 “最后，有一个完整的分析模型来解释这个系统，”Birnir说
有了这个新的数学公式，科学家和工程师可以调整不同的参数来预测流体的行为
边界层湍流出现在各种领域，从交通运输到气象等等
“我认为它会有很多应用，”Birnir评论道
例如，正确理解边界湍流有助于制造更高效的发动机，减少污染物，并最大限度地减少各种车辆的阻力
地球的大气层可以模拟为边界流
尽管大气层看起来很高，但它本质上是一层薄薄的流动空气包裹着地球表面
Birnir说:“我认为，最终，我们将能够使用这个理论来理解大气湍流和急流。”
“这将是相当有用的
" 作者惊讶地发现分离涡流是多么重要，特别是在解释缓冲层中的湍流转变时
研究它们的行为已经开始提供对其他类型湍流的洞察
“特别是，我们获得了对拉格朗日湍流的见解，”Birnir说，他引用了一个参考文献中描述湍流行为的理论，该文献随水流移动，就像河上的木筏
这与欧拉湍流理论形成了对比，欧拉湍流理论描述了流体通过一个固定的参照系时的情况，比如河岸上的一个桥墩
附着的漩涡在移动的参照系中消失了——就像当你向下游行进时，水流似乎消失了一样
“但是分离的漩涡仍然存在，”比尔尼说，“它们似乎在拉格朗日湍流中起了主要作用。”
" 该团队目前专注于用这些新工具探索拉格朗日湍流，这些工具本身最初来自于对无边界的同质湍流的研究
“你在一个领域获得的洞察力会在另一个领域帮助你，”Birnir观察到
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