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PG電子官網(wǎng)咖啡杯里的風(fēng)暴沖泡：科學(xué)家破解雷諾湍流的百年之謎
2024-06-12 19:55:19
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返回列表 奧斯本-雷諾茲（Osborne Reynolds）正在 1883 年的實(shí)踐中闡理解水流從層流到湍流的蛻化，從而提出了流體力學(xué)的根基題目。幾十年后，奈杰爾-戈登菲爾德（Nigel Goldenfeld）和比約恩-霍夫（Bj?rn Hof）教導(dǎo)的磋議職員操縱統(tǒng)計(jì)力學(xué)解開了這些謎團(tuán)PG電子官網(wǎng)，闡明流體中層流到湍流的蛻化展現(xiàn)為定向滲濾--流速?zèng)Q心最佳萃取的觀念，您能夠分解為相仿于沖泡咖啡。 他們的跨學(xué)科本事揭示了這種蛻化能夠用非平均態(tài)相變來描畫，并為流體動(dòng)力學(xué)供給了新的意見。 1883 年，奧斯本-雷諾茲（Osborne Reynolds）將墨水注入一根透后短管中的水中，巡視水的活動(dòng)。他的實(shí)踐標(biāo)明，跟著輸入水流速率的擴(kuò)張，水流從層流（膩滑且可預(yù)測）變?yōu)橥牧鳎〒?dān)心謐且弗成預(yù)測），造成結(jié)果部的湍流斑塊，即即日所說的Puffs。 他的職業(yè)幫幫開創(chuàng)了流體力學(xué)界限，但正如實(shí)踐常常做的那樣，他的職業(yè)提出了更多的題目沖泡。比方，層流和湍流之間為什么會產(chǎn)生轉(zhuǎn)換，奈何定量描畫這種轉(zhuǎn)換？ 固然雷諾茲沒能找到謎底，但由加州大學(xué)圣地亞哥分校校長特聘物理學(xué)教學(xué)尼格爾-戈登菲爾德和奧地利科學(xué)工夫磋議所的比約恩-霍夫教導(dǎo)的一個(gè)國際磋議幼組，愚弄統(tǒng)計(jì)力學(xué)管理了這個(gè)永恒存正在的題目。他們的磋議效果頒發(fā)正在《天然-物理學(xué)》上。 這項(xiàng)職業(yè)的簇新之處正在于，磋議幼組不只從流體力學(xué)的角度來磋議這個(gè)題目，況且還從統(tǒng)計(jì)力學(xué)的角度來磋議這個(gè)題目。統(tǒng)計(jì)力學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)分支，它應(yīng)用數(shù)學(xué)來描畫擁有洪量粒子的體系的舉止。統(tǒng)計(jì)力學(xué)廣泛合用于處于平均狀況的體系，但湍流并不處于平均狀況，由于能量不停進(jìn)出流體。然而，磋議幼組正在先前職業(yè)的根蒂上闡明，正在層流和湍流之間的過渡點(diǎn)，流體正在管道中的運(yùn)動(dòng)處于非平均相變狀況，即所謂的定向滲濾。倘使?jié)B濾會讓你聯(lián)念到朝晨的咖啡，那么它正在這里供給了一個(gè)有效的例子。 咖啡滲濾時(shí)，水以必然的速率流經(jīng)咖啡渣，并順著重力宗旨向卑劣動(dòng)。這種活動(dòng)稱為定向滲濾。速率太疾，咖啡會變淡；速率太慢，水會倒流并濺到臺面上。最好的一杯咖啡是水流速率足夠慢，以接收咖啡豆中最多的滋味，但又足夠疾，使其通過過濾器時(shí)不會倒流。這便是所謂的定向滲濾轉(zhuǎn)換。 這彷佛與流體湍流無合，但正在起首的職業(yè)中，磋議幼組和該界限的其他磋議職員有證據(jù)標(biāo)明，定向滲流蛻化擁有與層流-湍流蛻化好像的統(tǒng)計(jì)特質(zhì)。 這個(gè)題目曾經(jīng)存正在了近150年沖泡，需求用相當(dāng)規(guī)的思想來管理，戈登菲爾德說，他還正在雅各布斯工程學(xué)院和哈利西奧盧數(shù)據(jù)科學(xué)磋議所任職。再有功夫。團(tuán)隊(duì)中的少少成員正在這個(gè)題目上曾經(jīng)職業(yè)了十多年。 湍流氣泡沿模仿管道和實(shí)踐挪動(dòng)時(shí)的功夫軌跡沖泡，藍(lán)域默示氣泡交通阻塞。左邊的圖像比右邊的圖像更親昵層流-湍流過渡，于是能夠知道地看到，跟著定向滲流過渡的親昵，交通阻塞慢慢消逝。圖片源泉：Nigel Goldenfeld / 加州大學(xué)圣地亞哥分校 真相上，2016 年，正在戈登菲爾德及其互幫家提出層流-湍流蛻化表面的同時(shí)沖泡，霍夫磋議幼組就正在圓形幾何中對層流-湍流蛻化舉辦了實(shí)踐磋議。 假使霍夫磋議幼組曾經(jīng)闡理解圓形幾何體中的定向滲流，但正在管道云云的綻放幾何體中會產(chǎn)生什么仍不知道。別的，正在管道幾何體中舉辦實(shí)踐也不確鑿質(zhì)。固然圓形是永無終點(diǎn)的，但磋議職員估量，正在管道中舉辦同樣的實(shí)踐需求 2.5 英里的長度，而采集須要的數(shù)據(jù)點(diǎn)需求幾個(gè)世紀(jì)的功夫。 為了獲得希望，磋議幼組做了兩件事。最初，他們應(yīng)用壓力傳感器巡視管道中的氣泡，并切確丈量了氣泡奈何影響相互的運(yùn)動(dòng)。他們將數(shù)據(jù)輸入分子動(dòng)力學(xué)算計(jì)機(jī)模仿沖泡，結(jié)果標(biāo)明，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來看，正在層流-湍流過渡左近，粉撲的舉止與定向滲流過渡相當(dāng)吻合。 其次，他們愚弄相變物理學(xué)的工夫，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)力學(xué)從數(shù)學(xué)上預(yù)測了Puffs的舉止。這也驗(yàn)證了定向滲流蛻化的假設(shè)。 通過這項(xiàng)磋議，磋議幼組還從具體的實(shí)踐和統(tǒng)計(jì)力學(xué)表面中挖掘了少少意念不到的東西：就像頂峰時(shí)段高速公道上的汽車?yán)淄?，粉撲容易釀成交通阻塞。倘使一個(gè)粉撲填滿了管道的寬度，那么沒有任何東西能夠通過它，這意味著其他粉撲大概會正在它后面聚集起來。就像你大觀念顯露為什么會產(chǎn)生交通阻塞，為什么交通阻塞會正在無法確定來由的狀況下消逝雷同，粉塵阻塞也會以統(tǒng)計(jì)力學(xué)所描畫的式樣自行造成和消逝。正在從層流到湍流的臨界過渡點(diǎn)上，氣泡阻塞往往會融解，讓位于定向滲流過渡的異常統(tǒng)計(jì)舉止。 戈登菲爾德評論道：這項(xiàng)職業(yè)不只揭開了管道層流-湍流蛻化的序幕沖泡，還揭示了來自區(qū)別科學(xué)學(xué)科的意見是奈何出人預(yù)意見闡明一個(gè)困難的。倘使沒有統(tǒng)計(jì)力學(xué)的視角，就不大概分解這一范例的流體力學(xué)景色。PG電子官網(wǎng)咖啡杯里的風(fēng)暴沖泡：科學(xué)家破解雷諾湍流的百年之謎
