研究人员破解了一个持久的物理学之谜

几十年来，物理学家，工程师和数学家都未能解释流体力学中的一个显着现象：流体湍流从无序混沌转变为完全平行的倾斜湍流带模式的自然趋势。许多科学家观察到从混沌湍流状态到高度结构化模式的转变，但从未理解过。

在EPFL物理系统实验室的新兴复杂性中，Tobias Schneider和他的团队已经确定了解释这种现象的机制。他们的研究结果发表在Nature Communications上。

从混乱到秩序

用于描述流体流中发生的各种现象的方程是众所周知的。这些方程式捕捉了控制流体动力学的物理学的基本定律，这是一门从本科以上的所有物理和工科学生学习的科目。

但是当湍流发挥作用时，方程的解决方案变得非线性，复杂和混乱。例如，这使得不可能在延长的时间范围内预测天气。然而，湍流具有从混沌转变为高度结构化的湍流和层流带模式的惊人趋势。这是一个了不起的现象，但直到现在，潜在的机制仍然隐藏在方程式中。

这就是发生的情况：当流体放置在两个平行板之间，每个平板向相反方向移动时，会产生湍流。起初，湍流是混乱的，然后它自组织形成规则的倾斜带，由平静区域(或层流)分开。没有明显的机制选择带的倾斜取向或确定周期性图案的波长。

施耐德和他的团队解开了这个谜团。“正如物理学家理查德费曼所预测的那样，解决方案不是在新的方程式中找到的，而是在我们已经可用的方程式中找到，”Schneider解释道。“到目前为止，研究人员还没有足够强大的数学工具来验证这一点。”

研究人员将一种这样的工具(称为动力系统理论)与现有的流体模式形成理论和先进的数值模拟相结合。他们为过程的每个步骤计算了特定的均衡解，使他们能够解释从混沌状态到结构状态的转变。

“我们现在可以描述产生斜模式的初始不稳定机制，”该研究的主要作者Florian Reetz解释道。“因此，我们解决了我们领域中最基本的问题之一。我们开发的方法将有助于澄清湍流层流模式在许多流动问题中的混沌动力学。它们可能有一天能让我们更好地控制流动。”

一个重要的现象

在流体力学中，条纹图案的形成很重要，因为它表明湍流和层流是如何彼此不断竞争以确定流体的最终状态，即湍流或层流。每当湍流形成时，例如当空气流过汽车时，就会出现这种竞争。湍流始于汽车车顶的一个小区域，但随后它会扩散 - 因为在这种特殊情况下湍流比层流更强。因此，最终状态是动荡不安的。

当形成条纹图案时，意味着层流和湍流的强度相等。然而，在实验室的受控条件之外，这在自然界中很难观察到。这一事实表明EPFL研究人员在解释湍流的基本属性方面的成功意义。他们的研究结果不仅可以解释在实验室中可以观察到的现象，而且可以帮助更好地理解和控制自然界中发生的与流动相关的现象。