对于任何观察过海浪或快速流动水的人来说，湍流似乎纯粹是混乱的。强大的洋流扭曲并搅动，形成旋涡，分裂成越来越小的涡旋，直到它们的能量最终消散。几十年来，科学家们相信这一过程遵循可预测的模式。在海洋和大气等三维环境中，能量被认为是从较大的结构向较小的结构移动。新的研究表明，这一规则可能并不像之前所想的那样固定。匹兹堡大学的研究人员与意大利都灵大学的联合研究者合作，发现湍流中能量流动的方向实际上是可以改变的。他们的研究成果发表在《科学进展》杂志的论文《通过在二维流动中使用张量几何操控湍流能量流动方向》中，这可能对医学、沿海管理和气候科学产生影响。 挑战湍流的基本理论 这项工作由莱·方（Lei Fang）领导，他是匹兹堡大学斯旺森工程学院土木与环境工程系的助理教授，以及博士生西宇·司（Xinyu Si）、菲利普·德利洛（Filippo De Lillo）和圭多·博费塔（Guido Boffetta）。方教授表示：“自1941年安德烈·科尔莫戈洛夫的研究以来，能量流动一直被预测。在水体等三维流动中，能量从较大的尺度移动到较小的尺度。对于发生在薄层水中的二维流动，这一流动是反向的，从较小的尺度流向较大的尺度。”为了研究这种行为是否可以改变，方从不同的角度接触这个问题。方补充说：“为了理解不同尺度下的这个抽象概念，我将能量流动过程重新表述为基于纳维-斯托克斯方程的机械过程。由于这是一个机械过程，我可以通过改变位移和力之间的几何关系来尝试反转它。”他的方法依赖于张量，张量是常用于描述应力和变形等量的数学对象。这些特性在湍流的形成中起着重要作用。通过开发基于张量对齐的几何框架，方发现能量转移的方向取决于这些张量如何相互作用。在某些条件下，能量的流动可以被重定向，而不是遵循其传统预期的路径。“我们展示了我们可以产生湍流流动，表现出前向或反向的能量流动，”方说。“我们的框架同样适用于三维尺度。” 实验验证理论 这一想法基于方之前的研究，表明微小的游动者可以扰动强大的海洋洋流。在新的研究中，他将注意力转向背景流动本身及其与外力的相互作用。研究人员发现，当外力以特定方式排列时，可以改变能量在湍流系统中的移动方式。为测试理论，方和西宇进行了实验室实验，使用由电磁力驱动的一薄层水。水平磁场产生二维流动，而一系列杆子被用于扰动它。悬浮在薄电解质层中的示踪粒子使研究团队能够可视化并测量流体的运动。实验结果与计算机模拟相符，并支持了新框架的预测。 从海洋到医学的潜在应用 影响湍流能量流动的能力最终可能为多种领域提供实际利益。方表示：“通过这个理论框架，我们发现可以使用长达十米的小物理边界扰动跨越公里的海洋运输障碍。“改变能量流动的方向是可能的，这可以改善沿海岸线的废水或其他污染物的分散。”这一发现也可能在医疗领域中发挥作用，特别是在微流控系统中，流体通过小于一毫米的通道移动。在这个尺度下，液体往往混合不良，因为湍流基本上缺失。方补充道：“在小于一毫米的微流控流动中，液体的粘度使混合变得困难，因为几乎没有湍流。我们可以调整力和位移来产生弱的 '低雷诺数湍流'，这可以加速剂的混合。” 对气候建模的影响 这项研究还可能为未来气候模拟的改进做出贡献。海洋洋流和大气环流在调节全球温度方面发挥着关键作用。随着气候变化改变风速和海洋行为，这些系统所受的力也可能影响能量在湍流流动中的移动。“虽然目前这是假设性的，研究可能改善气候建模。”方表示。“随着气候变化改变风速和海洋流，风应力和洋流可能改变能量流动的方向。理解这些影响可能会有重要意义。”