什麼是「湍流」，為何讓科學家都對它望而生畏？

撰文/李家春（中國科學院力學研究所）

本文節選自《知識就是力量》雜誌

我們在乘坐飛機時，有時會遇到飛機上下顛簸，這時候廣播就會說：「我們的飛機遇到湍流，正在顛簸，請您系好安全帶，不要離開座位。」

那什麼是湍流？科普工作者往往也不能用精鍊的語言向公眾說明。如諾貝爾物理學獎獲得者、量子物理學家R·費曼（1918-1988年）稱，湍流為「經典物理學尚未解決的最重要的難題」。科學家們對它望而生畏，於是，湍流被蒙上一層神秘的面紗。

實際上，湍流現象在自然界、工業裝置和日常生活中也比比皆是，比如大氣中的亂雲飛渡、河流中的險灘急流、熱電廠上空的滾滾濃煙、在動脈中流動著的血液等。今天，我們就一起來看看讓科學家都望而生畏的「湍流」到底是什麼？

層流VS湍流

水體、大氣和等離子體這樣的流體介質可以有兩種運動狀態：一種是「層流」，儘管介質的分子仍是無規則運動的，但流體團卻在做有規則的運動。所以，你可以看到清晰的流線圖像；另一種就是「湍流」，這時，介質的分子和流體團都在做無規則運動，所以，其跡線會纏繞成一團亂麻。早在500 多年前，達·芬奇就已經洞察到湍流的基本特徵，並形象地描繪出湍流的素描圖像。

達 ? 芬奇的湍流素描圖像

那層流與湍流的本質差異是什麼呢？眾所周知，流體在運動過程中，相鄰流體之間會發生動量、能量和質量的交換和輸運。在層流狀態，這種輸運主要通過無規則的分子運動進行，在湍流狀態，則通過無規則的流體團運動進行。

流體團無規則運動的湍流（Van Dyke 1982）

有清晰流線的層流（Van Dyke 1982）

由於每個流體團包含了千萬個分子，承載著更多的動量、能量和質量，所以，湍流用「集裝箱」方式輸運的效率極高，以渦粘性、熱擴散、質量擴散係數表徵的輸運能力可以是層流狀態的千萬倍，尤其是湍流大尺度擬序結構的參與，可以極大地影響輸運過程。根據這個原理，我們可以通過主動和被動控制湍流，除弊興利，造福人類。

湍流的利與弊

湍流的最大危害是增加飛行器、高速列車和汽車等的阻力，我們的飛機就要消耗更多的燃料，所以，飛機設計師就要千方百計地進行減阻，比如可以採用層流翼型，可以用邊界層吹吸來推遲轉捩，可以應用仿生原理採用縱向小肋或鋸齒狀蒙皮，可以加註高分子聚合物來達到減阻的目的。

顯然，減阻可以產生巨大的經濟效益，粗略估計，減小一個阻力點（阻力係數減小0.0001）可以增加8位乘客，減阻10% 可以使波音客機每年節油數百噸，航空公司提高利潤40%，等等。同樣的，我們發現，高速列車的雜訊源來自於車頭的膨脹壓縮波，車身的速度剪切和車尾的旋渦脫落， 從而可採取相應措施以降低氣動雜訊，減輕對環境影響。

人們也常常需要在工業生產和日常生活中利用湍流的長處，如：在燃燒器中可採用大速差/偏置射流噴注燃料，通過強剪切產生旋渦和湍流，延長駐留時間，增強摻混，提高燃燒效率；在夜間和陰天，大氣邊界層往往處於穩定層結狀態，只有當足夠強的寒流到來，近地層的大氣才能打破穩定層結並轉變成湍流狀態，濃重的霧霾才能煙消雲散。所以，在燃煤和尾氣嚴重汙染得到根本治理以前，我們仍然在很大程度上依賴氣象也就不奇怪了。更饒有興趣的是，布滿小凹坑的高爾夫球，可以通過產生湍流推遲轉捩以減小前後壓差阻力，所以，運動員一桿可以擊出250 米的遠距離。

一個多世紀以來，我們已經看到人類在湍流研究領域的巨大進展，不僅對於湍流的認識得到了深化，而且已經轉化為許多實際應用，正改變著人類的生活。比如，今天我們可以乘坐波音和空客飛機，在十數小時內到達世界各地，基於雷諾平均方程的湍流模型理論在飛機設計中的作用功不可沒。以上事實表明，我們完全不必像上個世紀的流體力學家H·蘭姆那樣悲觀和無望。今天，我們已經積累了豐富的科學認識，E 級超級計算機即將問世，大渦模擬技術日趨成熟，高參數實驗裝置和先進測試技術正在不斷取得新進展。所以，在21 世紀，我們對攻克「湍流」這一個經典物理學的難題，揭開它的神秘面紗，應該更加充滿信心。

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