至少从 20 世纪 20 年代起，科学家们就对液体撞击壁面时产生的湍流感到困惑。例如，当水猛烈地拍打泳池侧壁或原油冲击管道内部时会发生什么？ 终于，研究人员发现了方程，这些方程描述了湍流液体层在遇到此类边界时所表现出的复杂行为。
加州大学圣巴巴拉分校的数学家、这项新发现背后的团队负责人比约恩·伯尼尔指出，边界层湍流在自然界中非常常见。 他表示，他的团队对这种现象的新理解可能具有广泛的应用，例如制造污染更少、燃油效率更高、阻力更小的汽车和飞机，或改进气候、龙卷风和其他恶劣天气的模型。 墨尔本大学的机械工程师约瑟夫·克莱维茨基说，这项新的研究“是一项有趣的工作”，他曾与伯尼尔合作，并为这篇论文提供了咨询，但并未直接参与这些发现。“湍流是一个令人兴奋且困难的领域。”
最近的结果建立在 20 世纪早期的发现之上。 当时，两位研究人员点燃了人们对边界层湍流的兴趣：德国物理学家路德维希·普朗特，他被称为“现代空气动力学之父”，以及西奥多·冯·卡门，一位匈牙利裔美国工程师，被称为“超音速飞行之父”，他们进行了风洞实验。 伯尼尔说，他们的结果表明，流体可以被理解为在距边界不同距离处有四层。
支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。 通过购买订阅，您将帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和思想的具有影响力的故事的未来。
其中四层之一是粘性层，它最靠近泳池侧壁或管道壁。 紧随其后的是缓冲层、惯性层，最后是尾流。 在最后一层中，水、油或其他流体足够远，以至于它不会强烈地感受到边界。 因此，尾流表现出“接近均匀湍流”——如果我们根本没有边界就会看到的湍流，伯尼尔指出。
普朗特和冯·卡门还发现，惯性层的平均速度是对数函数，与距边界的距离有关。 伯尼尔说：“在过去的 100 年里，已经开发出各种用于不同层中流动的公式”，从该结果开始。 他和他的同事最近发表在Physical Review Research上的论文“将所有这些结果结合在一个单一理论中”。
伯尼尔指出，在研究流动的油或水时，平均速度描述了在给定时间内可以通过管道的流体量。 平均速度可以表示为距管道壁距离的函数，从而得出平均速度剖面。 加州理工学院的计算和数学工程师简·贝伊说：“作者使用能量谱来预测平均速度剖面和湍流波动”，她专门研究壁湍流，但没有参与伯尼尔的研究。 这篇论文“表明缓冲层和惯性层中不同的能量谱对于正确预测速度剖面至关重要。 它还为[阿尔伯特·艾伦]汤森的附着涡旋假说增加了分量，并为这个被广泛接受的假说提供了一些定量背景。”
澳大利亚机械工程师汤森于 1976 年提出了附着涡旋假说。 伯尼尔说：“基本上，他说的是将能量从边界带入流动的物质是连续的或嵌套的涡旋。” 较小的涡旋将能量输入到较大的涡旋中，而最大的涡旋“一直从边界延伸到惯性层”。
伯尼尔说，普朗特和冯·卡门的所谓对数定律可以从附着涡旋假说中推导出来，但汤森理论中缺少的一个关键部分是这种能量转移和转化的过程。 伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的另一个研究小组此前分享了对这种转移背后过程的解释。 但这项工作缺少一个关键组成部分——分离涡旋——而这在新结果中是存在的。
贝伊说：“该研究使用理论方法来观察壁湍流（特别是高雷诺数）的湍流统计量（速度和波动）的普遍性”，这表明流动将更加湍流。 “从新的角度来看待这个问题很有趣。”
贝伊指出，在将新结果应用于解决伯尼尔提到的一些现实世界挑战之前，需要填补某些信息空白。 “地球大气层是高度湍流边界层的一个典型例子，”她说。 但贝伊表示，目前大多数实验室实验和计算机模拟都集中在雷诺数“比我们星球大气层中看到的雷诺数低几个数量级”的系统上。 贝伊说：“同样重要的是要注意，大气边界层以及汽车和飞机上的流动通常包括更复杂的物理现象，例如压力梯度效应、热分层和科里奥利力（由地球自转引起）。” 这些效应“在通用速度剖面中没有考虑。”