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Nature Physics 速递:湍流如何产生和演化?涡环生成孤立湍流团

集智编辑部 集智俱乐部 2023-12-26


关键词:湍流,流体力学,随机过程


论文题目:Creation of an isolated turbulent blob fed by vortex rings论文来源:Nature Physics论文链接:https://www.nature.com/articles/s41567-023-02052-0

湍流是什么?它是遍布所有尺度的无序,大涡破碎成小涡,小涡破碎成更小漩涡;它是不稳定的;它是高耗散的;它是失去稳定性的运动。但流体的流动究竟如何从平稳变成紊乱?
——詹姆斯·格雷克《混沌:开创一门新科学》

湍流(turbulence)不止是湍急的河流,还包括滚滚风暴云,它是指流体(如水和空气)可能发生的、看似随机的压力和速度变化,在自然界中随处可见。

在过去的实验中,人们常用诸如管道或旋转盘结构的边缘处出现的流体来产生湍流,但这些边界让我们难以理解湍流是如何形成的,以及如果没有约束,它将如何演变?

最近发表在 Nature Physics 的一篇文章发明了一种方法,可以产生和维持远离边界的湍流。研究者们用基本构件——涡环(vortex rings)建立并控制了一个封闭的湍流状态,方法是通过水箱壁上的开口吸水。然后,这些环会移动到水箱的中心,像乐高积木一样联合收割在一起,形成一个自约束的湍流团。此方法不仅可以定位和局部化湍流,而且可以操纵和利用它。

图1. 利用涡环产生湍流及其对约束的阻力

图2. 由于八个涡环反复碰撞,出现了两个相:相干重联和湍流的受限状态。

图3. 螺旋环的反复碰撞以受控的方式将螺旋度转化为湍流。



编译|朱欣怡

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