少年科学粉 | 什么是“湍流”，为何让科学家都对它望而生畏？

　　撰文/李家春（中国科学院力学研究所）

　　本文节选自《知识就是力量》杂志

　　我们在乘坐飞机时，有时会遇到飞机上下颠簸，这时候广播就会说：“我们的飞机遇到湍流，正在颠簸，请您系好安全带，不要离开座位。”

　　那什么是湍流？科普工作者往往也不能用精炼的语言向公众说明。如诺贝尔物理学奖获得者、量子物理学家R·费曼（1918-1988年）称，湍流为“经典物理学尚未解决的最重要的难题”。科学家们对它望而生畏，于是，湍流被蒙上一层神秘的面纱。

　　实际上，湍流现象在自然界、工业装置和日常生活中也比比皆是，比如大气中的乱云飞渡、河流中的险滩急流、热电厂上空的滚滚浓烟、在动脉中流动着的血液等。今天，我们就一起来看看让科学家都望而生畏的“湍流”到底是什么？

　　层流VS湍流

　　水体、大气和等离子体这样的流体介质可以有两种运动状态：一种是“层流”，尽管介质的分子仍是无规则运动的，但流体团却在做有规则的运动。所以，你可以看到清晰的流线图像；另一种就是“湍流”，这时，介质的分子和流体团都在做无规则运动，所以，其迹线会缠绕成一团乱麻。早在500 多年前，达·芬奇就已经洞察到湍流的基本特征，并形象地描绘出湍流的素描图像。

　　达 芬奇的湍流素描图像

　　那层流与湍流的本质差异是什么呢？众所周知，流体在运动过程中，相邻流体之间会发生动量、能量和质量的交换和输运。在层流状态，这种输运主要通过无规则的分子运动进行，在湍流状态，则通过无规则的流体团运动进行。

　　流体团无规则运动的湍流（Van Dyke 1982）

　　有清晰流线的层流（Van Dyke 1982）

　　由于每个流体团包含了千万个分子，承载着更多的动量、能量和质量，所以，湍流用“集装箱”方式输运的效率极高，以涡粘性、热扩散、质量扩散系数表征的输运能力可以是层流状态的千万倍，尤其是湍流大尺度拟序结构的参与，可以极大地影响输运过程。根据这个原理，我们可以通过主动和被动控制湍流，除弊兴利，造福人类。

　　湍流的利与弊

　　湍流的最大危害是增加飞行器、高速列车和汽车等的阻力，我们的飞机就要消耗更多的燃料，所以，飞机设计师就要千方百计地进行减阻，比如可以采用层流翼型，可以用边界层吹吸来推迟转捩，可以应用仿生原理采用纵向小肋或锯齿状蒙皮，可以加注高分子聚合物来达到减阻的目的。

　　显然，减阻可以产生巨大的经济效益，粗略估计，减小一个阻力点（阻力系数减小0.0001）可以增加8位乘客，减阻10% 可以使波音客机每年节油数百吨，航空公司提高利润40%，等等。同样的，我们发现，高速列车的噪声源来自于车头的膨胀压缩波，车身的速度剪切和车尾的旋涡脱落，从而可采取相应措施以降低气动噪声，减轻对环境影响。

　　人们也常常需要在工业生产和日常生活中利用湍流的长处，如：在燃烧器中可采用大速差/偏置射流喷注燃料，通过强剪切产生旋涡和湍流，延长驻留时间，增强掺混，提高燃烧效率；在夜间和阴天，大气边界层往往处于稳定层结状态，只有当足够强的寒流到来，近地层的大气才能打破稳定层结并转变成湍流状态，浓重的雾霾才能烟消云散。所以，在燃煤和尾气严重污染得到根本治理以前，我们仍然在很大程度上依赖天气也就不奇怪了。更饶有兴趣的是，布满小凹坑的高尔夫球，可以通过产生湍流推迟转捩以减小前后压差阻力，所以，运动员一杆可以击出250 米的远距离。

　　一个多世纪以来，我们已经看到人类在湍流研究领域的巨大进展，不仅对于湍流的认识得到了深化，而且已经转化为许多实际应用，正改变着人类的生活。比如，今天我们可以乘坐波音和空客飞机，在十数小时内到达世界各地，基于雷诺平均方程的湍流模型理论在飞机设计中的作用功不可没。以上事实表明，我们完全不必像上个世纪的流体力学家H·兰姆那样悲观和无望。今天，我们已经积累了丰富的科学认识，E 级超级计算机即将问世，大涡模拟技术日趋成熟，高参数实验装置和先进测试技术正在不断取得新进展。所以，在21 世纪，我们对攻克“湍流”这一个经典物理学的难题，揭开它的神秘面纱，应该更加充满信心。

　　今日知识点

　　中学物理|湍流力学