湍流是一種無處不在的現(xiàn)象，也是物理學的最大謎團之一。德國奧爾登堡大學的一個研究小組，現(xiàn)在已經(jīng)成功地在風能研究中心(ForWind)風洞中產(chǎn)生了逼真的風暴湍流。

猛烈的暴風雨似乎經(jīng)常會留下隨機的破壞：雖然一所房子的屋頂瓦片被吹走了，但鄰近的財產(chǎn)可能根本不會受損。造成這些差異的原因是陣風——或者，正如物理學家所說的，是局部湍流，它是大尺度大氣流動的結(jié)果。

但到目前為止，還不可能對其進行非常詳細的預測。來自奧爾登堡大學和里昂大學的物理學家們，現(xiàn)在已經(jīng)為研究小尺度湍流鋪平了道路：由奧爾登堡物理學家約阿希姆·佩因克博士領導的團隊，成功地在風洞中產(chǎn)生了湍流。這種流動類似于大風中的流動。其研究成果發(fā)表在《物理評論快報》期刊上，研究小組已經(jīng)找到了一種從風暴中“切下”一塊的方法。實驗發(fā)現(xiàn)使該風洞成為新一代這樣的設施模型，例如，在其中，湍流對風力渦輪機的影響可以被現(xiàn)實地研究。

未解的方程

表征湍流最重要的參數(shù)是所謂的雷諾數(shù)：這個物理量描述了介質(zhì)中動能與摩擦力的比值。簡單地說，你可以說：雷諾數(shù)越大，水流就越湍急。湍流最大謎團之一是它的統(tǒng)計數(shù)據(jù)：如果你觀察較小的尺度，就會更頻繁地發(fā)生極端事件，如強風和突如其來的陣風。研究小組“湍流、風能和隨機”的負責人Peinke解釋說：水流的湍流漩渦在較小的尺度上變得更加嚴重。因此，在強風暴中（也就是雷諾數(shù)高的時候）蒼蠅受到氣流條件的影響要比飛機大得多。

具體原因尚不為人所知：描述流體的物理方程在涉及湍流時尚未求解。這項任務是著名的千年數(shù)學問題之一，美國克萊數(shù)學研究所在解決這個問題上每年投入了一百萬美元。在風能研究中心的大型風洞中，奧爾登堡團隊現(xiàn)在已經(jīng)成功地產(chǎn)生了比以往任何時候都更多的湍流風力條件。與之前的實驗相比，研究人員將雷諾數(shù)增加了100倍，從而模擬了與真實風暴中遇到情況相似的條件。目前還沒有看到上限，但產(chǎn)生的湍流已經(jīng)非常接近現(xiàn)實。

風洞實驗

奧爾登堡風洞有一個30米長的測試部分，四個風扇可以產(chǎn)生高達每小時150公里的風速，相當于一級颶風。為了創(chuàng)造湍流氣流，研究人員使用了所謂的主動網(wǎng)格，這是為大型奧爾登堡風洞的特殊要求而開發(fā)的。這個結(jié)構(gòu)的大小為3米乘3米，位于風洞的開始處，由近千個菱形的小鋁翼組成，而且金屬板是可移動的。它們可以通過80個水平軸和垂直軸在兩個方向上旋轉(zhuǎn)。這使得風能研究人員可以有選擇地在短時間內(nèi)阻塞并重新打開風洞噴嘴的小區(qū)域，導致空氣旋轉(zhuǎn)。

拉爾斯·紐豪斯(Lars Neuhaus)也是該團隊的成員，在這項研究中發(fā)揮了關鍵作用，他解釋說：有了世界上最大的活動網(wǎng)格，我們可以在風洞中產(chǎn)生許多不同的湍流風場。在實驗中，研究小組以一種混亂的方式改變了柵格運動，類似于湍流中發(fā)生的情況。他們還不定期地更換球迷的電源。因此，除了小尺度湍流外，氣流在風洞的縱向上產(chǎn)生了更大運動。研究的主要發(fā)現(xiàn)是，風洞氣流將這兩種成分結(jié)合成完美的、真實的風暴湍流，這場風暴湍流出現(xiàn)在活動網(wǎng)格后面10到20米處。

小規(guī)模的漩渦

通過調(diào)整風洞的柵格和風扇，風洞實驗已經(jīng)產(chǎn)生了大約十到一百米大小的湍流。同時，幾米或更小的小尺度湍流自發(fā)出現(xiàn)。然而，仍然不知道確切的原因，這種新方法使得在風洞中將與風力渦輪機、飛機或房屋相關的大氣湍流縮小到一米大小成為可能。這將允許研究人員在未來用微型模型進行現(xiàn)實的實驗，在這些模型中，極端陣風的發(fā)生頻率與真正的風暴一樣頻繁。

博科園｜研究/來自：奧爾登堡大學

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.154503

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