醉酒的蝴蝶飞不出花花的世界的原因找到了！ | 正经玩

花花世界迷人眼~

没有......

咳咳，花花世界固然美好

在其中迷失也无可厚非

但是

做完这次实验之后

小编发现

原来其中另有蹊跷

实验器材

所标杯、电吹风机、胶带、纸

实验过程

首先裁出一张细长的纸条

然后用胶带把纸条

沿轴向粘在杯壁上

最后打开电吹风机

在粘贴纸条的对侧

向杯子吹风

观察纸条的运动情况

可以看到纸条

并不能稳定地随风扬起

而是会出现波动

从另一个角度可以

更清楚地看到这一现象

电吹风低速挡

电吹风高速挡

原理解说

这次的实验的背景是卡门涡街(von Kármán vortex street)。这个名字来源于著名的空气动力学家冯·卡门。卡门涡街经常出现在飞行器设计，桥梁设计等需要考虑流体力学的领域中。

NACA翼型的卡门涡街

实验中，吹风机吹出的风经过杯子时，风速的分布情况受圆筒的影响会发生变化。而风速的变化又会通过纸巾的波动变化反映出来。那么风速具体的变化情况是什么样的呢？

在流体力学的理论中，有很多重要的无量纲数，比较有名的有雷诺数与马赫数。卡门涡街就与雷诺数有着紧密的关联。雷诺数的公式是：

雷诺数越小，表示粘性力越大，惯性力在计算时可以忽略，流动更趋向于稳定。雷诺数不同，流体的流动行为也会不同。

不同雷诺数下的流动情况

有了流体力学的理论之后，我们就可以用它进行模拟，从而康康流体流速的具体分布情况。模拟流体的算法非常多，像有限差分(FDM)，有限元(FEM)，光滑粒子动力学(SPH)，物质点法(MPM)等等。这里的模拟是用了格子玻尔兹曼方法（LBM）。

层流（非静止画面）

卡门涡街

湍流

注：自上而下，雷诺数增大，图中颜色越深，表示流速越小。

从模拟的结果可以看出，雷诺数小的时候，流体形成稳定的层流，这对应着实验中风速较小的情况。此时，只有来流自身的不稳定所造成的小波动。当雷诺数变大时，流体经过圆柱，开始变得不稳定起来，形成周期交替出现的涡，即卡门涡街。当雷诺数进一步增大时，流体的运动更加复杂，开始形成湍流。实验中风速较大的情况就对应着这两种情形，纸条的波动会非常大。

以上的模拟我们只是模拟了圆柱的绕流，我们也可以把圆柱换成方形或者其他形状。

方形

分析完实验的原理，小编突然间明白了，为什么说蝴蝶“怎么也飞不出，花花的世界”。我们知道，花的根茎一般是圆柱状的，当一阵风吹过这些花的根茎时，从我们前面的分析可以知道，风速会发生非常复杂的变化，有可能会形成卡门涡街。再加上蝴蝶喝了点假酒，酒后飞行，就更难从乱风中飞出来了。

所以说，“怎么也飞不出，花花的世界，原来我遇上了，卡门的涡街。”

参考资料

[2] NACA翼型测试

[3] 模拟代码参考

[4]【男子五人】用韩团的方式打开《酒醉的蝴蝶》【精 神 小 伙】

上期回顾

(由于上期投稿较多，这里只精选20个进行展示)

01.Alan霖霖的实验分享如下：

02.pxr的实验分享如下：

03.时光少年的实验分享如下：

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05.可儿的实验分享如下：

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20.隰有泮蚩的实验分享如下：

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