逆轉(zhuǎn)湍流的能量流向，挑戰(zhàn)長(zhǎng)期假設(shè)

能量往哪流？

從海洋到大氣，許多流體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)都受到湍流支配；同時(shí)，湍流也是混合物質(zhì)的一種高效機(jī)制。任何曾在海邊，或其他湍流水體附近停留過的人，都能感受到水流那種似乎恒定不變而又混亂無(wú)序的力量。然而，在翻涌的混亂之中，又似乎存在某種秩序。

能流是湍流理論的基石，指的是動(dòng)能在不同運(yùn)動(dòng)尺度之間的傳遞。由納維-斯托克斯方程描述的湍流，其核心特征之一就是能量會(huì)在不同運(yùn)動(dòng)尺度之間傳遞，而凈能流的方向由流動(dòng)的維度預(yù)先決定。

在海洋、大氣這樣的三維湍流中，注入宏觀尺度的能量會(huì)產(chǎn)生大的渦旋，而這些大渦旋會(huì)逐漸破碎、分解成越來(lái)越小的渦旋。這種向更小尺度的能量傳遞被稱為正向能流，最終會(huì)因能量耗散而停止。相比之下，在二維湍流中，這種能流方向則相反，也就是能量會(huì)從較小尺度傳遞到較大尺度，這一過程被稱為反向能流。

現(xiàn)在，一項(xiàng)新發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》的研究挑戰(zhàn)了長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于能量如何在海洋、大氣等混沌系統(tǒng)中傳遞的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)基于一個(gè)幾何框架，開展了實(shí)驗(yàn)和直接數(shù)值模擬，生成了一種具有正向能流的二維湍流。也就是說，在這種湍流中，能量向更小尺度傳遞，方向與經(jīng)典預(yù)期的相反。

幾何改寫能流

在新的研究中，研究人員探究了一個(gè)有趣而又具有實(shí)際意義的問題：是否可以通過合適的驅(qū)動(dòng)方案，來(lái)操控湍流凈能流的方向？

他們的操控方法基于一個(gè)簡(jiǎn)單觀察：湍流級(jí)聯(lián)過程可以被重新表述為一個(gè)力學(xué)過程。在這一過程中，不同運(yùn)動(dòng)尺度上的應(yīng)力，可類比為力；應(yīng)變率，可類比為位移；二者可以相互配合或相互對(duì)抗，從而在不同尺度之間產(chǎn)生正功或負(fù)功。

在二維湍流中，應(yīng)力和應(yīng)變率都可以表示為二階張量。當(dāng)應(yīng)力張量與應(yīng)變率張量相互對(duì)齊時(shí)，小尺度會(huì)對(duì)大尺度做功，從而產(chǎn)生反向能流。相反，當(dāng)這兩個(gè)張量相互垂直時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)正向能流。這一力學(xué)圖像清楚地表明，幾何關(guān)系在決定能流方向中具有關(guān)鍵作用。

操控能流的關(guān)鍵，在于控制這兩個(gè)張量之間的對(duì)齊關(guān)系。如果這一直觀框架成立，它就可能產(chǎn)生具有凈反向能流的三維湍流，以及具有凈正向能流的二維湍流。

二維湍流實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)和模擬中，研究人員聚焦于對(duì)二維湍流的操控，并通過電磁驅(qū)動(dòng)的薄層流動(dòng)實(shí)驗(yàn)和直接數(shù)值模擬，展示了對(duì)凈能流方向的成功控制。

具體來(lái)說，他們?cè)谝粋€(gè)水深較淺的水槽中，生成了水平磁場(chǎng)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)二維流動(dòng)。為了擾動(dòng)這種流動(dòng)，他們使用了一個(gè)桿陣列。在一層薄薄的電解質(zhì)溶液中，示蹤粒子幫助研究人員獲得了流體運(yùn)動(dòng)的圖像。

他們證實(shí)了，根據(jù)張量之間的排列情況，以及力以何種方式相互作用，確實(shí)可以產(chǎn)生既表現(xiàn)出正向能流，也表現(xiàn)出反向能流的湍流。這一結(jié)論挑戰(zhàn)了長(zhǎng)期以來(lái)的假設(shè)，而且，這一框架還可以進(jìn)一步推廣到三維流動(dòng)中。

潛在應(yīng)用

研究人員表示，通過這個(gè)理論框架，或許可以利用尺度至多十米左右的小型物理邊界，去擾動(dòng)跨度可達(dá)數(shù)千米的海洋輸運(yùn)屏障。有可能改變能流的方向，也能幫助改善廢水或其他污染物在海岸線附近的擴(kuò)散方式。

此外，這項(xiàng)研究還可以用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在小于一毫米的微流控流動(dòng)中，液體的黏性使混合變得困難，因?yàn)槠渲袔缀鯖]有湍流。而通過調(diào)節(jié)力與位移之間的對(duì)齊關(guān)系，就可以產(chǎn)生微弱的低雷諾數(shù)湍流，從而加快試劑混合。

此外，這項(xiàng)研究還可能推動(dòng)科學(xué)家改進(jìn)對(duì)氣候變化背景下洋流和溫度的建模方式。隨著氣候變化改變風(fēng)型和洋流，風(fēng)應(yīng)力與海流也可能改變能流的方向。理解造成這種變化的作用力，有助于建立更準(zhǔn)確的模型。

#參考來(lái)源：

https://news.engineering.pitt.edu/pitt-researchers-rewire-the-energy-pathways-of-turbulence/

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv0956

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：jingoba / Pixabay