北京
让水打转的“主谋”不止一个，而是几个因素在合伙作案——流体自身的惯性、管壁和液体之间的摩擦与附着，以及管壁材质或温度变化引发的湍流。液体和气体都算流体，它们的流动由纳维-斯托克斯方程描述，而这组方程是非线性的。微观缺陷会造成大得多的涡旋，就像一辆高速行驶的卡车撞上一颗小石子后可能被弹向另一个方向。
最容易理解的因素，是管道里所有流体因重力或泵送而具有的惯性。在一根温度控制完美、无摩擦的管子里，即使管子有弯折，流体也会处处平滑、笔直地流动。这叫作层流。
但没有什么东西是无摩擦的，化学和电学层面的力会把液体吸向管壁。于是，边缘处的流体因接触管壁而被拖慢——这圈被拖慢的圆柱形流体层，叫作边界层。如果管子笔直且长，这反而有助于让流动平静下来；可一旦出现弯道，它就会制造出螺旋。
由于边界层的作用，液体倾向于贴着弯道的内侧走——这叫作康达效应。你可以用水槽和勺子亲眼看到这一点。把水龙头拧到一股细小而稳定的水流，然后拿勺子的背面慢慢靠近水流。如果没有摩擦和康达效应，你会看到水直直落下；但实际上，水会贴着勺子的表面走，最后从勺尖斜着甩出去。回到管子里，这意味着流体不再沿着管子直着走，于是开始打旋。任何一个弯头、阀门或者水泵，都会带来这种螺旋。
而且没有哪根管子是真正光滑的。哪怕是“光滑”的玻璃，表面也有微观缺陷。当液体撞上一个小缺陷，或者只是遇到一点温度差异——热流体密度更小会上浮——就会有一小股流体被偏转，形成一个小小的涡旋。如果液体流得足够慢，边界层会充当阻尼，这些小涡旋自己就消散了。可一旦流体达到某个临界速度，阻尼就跟不上了，非线性就在这里登场。由于管子中心附近的流体比边缘的流体跑得快，这个速度差会把这些涡旋沿着管子方向拉长。就像花样滑冰运动员收拢手臂会转得更快一样，被拉长、变窄的涡旋会转得更猛，并从流体中吸取能量，让自己变得更长更细。这些涡旋不会互相抵消，而是互相喂养，扭成各种离谱的形状。这就是所谓的湍流。你可能看到螺旋，也可能看到毫无规律的翻腾和涌动。如果管子里还困着气泡，情况会更糟——气泡会疯狂翻滚，把一切搅得更乱。
那怎么让它别转？把液体减速有帮助，但通常你并不想牺牲太多流量。如果流速低于临界湍流速度，可以让它通过一段又长又直的管子，靠边界层带来的阻力让它慢慢平静下来。最理想的情况下，经过一个弯道之后，这段直管长度大约是管径的15倍，但实际可能长得多——取决于液体的黏度、管壁的粗糙程度，以及管路绕得有多复杂。
如果确实需要立刻得到层流，就用流动整流装置。做法是把大管暂时分成许多小管，或者插入带有精心设计孔洞的平板。大涡旋的能量最多，而它们的尺寸远大于孔洞，所以会被这些孔洞“切碎”。而且在小管里，15倍管径对应的距离要短得多。
缺点也很直接：它靠压缩管道容积来减速，所以如果你想让最终流量更高，就得加大泵送力度——而上游的湍流，也就跟着更严重了。
所以，干脆发明无摩擦的管子来解决这一切吧——等你拿到专利费的时候，请记得我。
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