風(fēng)的路徑

湍流是一種自然存在的現(xiàn)象，只要有空氣就會有湍流發(fā)生?？墒?，雖然有些湍流很劇烈，但我們僅憑肉眼很難看到。在下列10張圖片中，讀者可以看到湍流這個不可見之物“顯形”后的樣子。 ?

１. 3D湍流

對于絕大多數(shù)人而言，湍流無疑是一個討厭的敵人，正是它讓飛行之旅出現(xiàn)“胃下沉?xí)r刻”。但對于研究人員來說，湍流卻是流動物質(zhì)——包括所有液體和氣體——交互作用變得猛烈和混亂的關(guān)鍵點。

這是一張湍流的3D圖片。對于有關(guān)湍流的原始數(shù)據(jù)，我們很難將其理解為抽象數(shù)字以外的任何東西。為了便于人們對湍流有個直觀的印象，科學(xué)家使用輪廓線展示它們的形狀，例如我們在圖片中看到的紫色部分。

圖片來源：勞倫斯·伯克利國家實驗室

２. 切變速度

當(dāng)不同密度的氣體以相對較高的速度移動時，就會形成羽翼豐滿的湍流。在這張圖片中，一種氣體的密度是另一種的2.5倍，在相對移動速度達(dá)到每小時380英里(約合每小時611公里)時，它們就會變成湍流。弗吉尼亞理工學(xué)院機械工程學(xué)副教授達(dá)尼什·塔夫蒂(Danesh Tafti)說：“除了確定的移動速度外，所有氣體的流動性都變得不穩(wěn)定，它們會起伏波動并形成湍流?！?

圖片來源：明尼蘇達(dá)州大學(xué)

３. 飄動的頭發(fā)

很多開發(fā)類似洗發(fā)香波產(chǎn)品的公司都利用模擬方式，觀察長發(fā)及洗發(fā)產(chǎn)品如何在氣流中飄動，以及如何與水、灰塵和其它因素發(fā)生反應(yīng)。為了制造完美的風(fēng)吹發(fā)效果，電腦模擬所需要的時間絕對超出我們想象。

圖片來源：ANSYS公司

４. 擊球瞬間

在空中飛行時，高爾夫球前部受到的壓力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后面，致使阻力加大并減少落地距離，這就是為什么要在高爾夫球表面制造凹痕。凹痕能夠讓氣體湍流與球進(jìn)行更親密接觸，進(jìn)而產(chǎn)生可減少阻力和延長落地距離的氣體漩渦。

圖片來源：ANSYS公司

5. 混合的氣體

這些彩色漩渦展現(xiàn)的是兩種截然不同的氣體混合在一起時的模樣，上方氣體的密度是下方的3倍。在兩種氣體之間不穩(wěn)定的分界面，最初的小規(guī)模擾動很快變得猛烈起來。這項測試有助于我們了解恒星內(nèi)部的對流。

圖片來源：明尼蘇達(dá)州大學(xué)

6. 磁場

新恒星誕生過程中，湍流也扮演了至關(guān)重要的角色。在這種圖片中我們可以看到，氣體和其它物質(zhì)在一顆新誕生的恒星周圍的一個圓盤中形成漩渦，但恒星的磁場導(dǎo)致湍流產(chǎn)生，將物質(zhì)撞出圓盤并使其墜入中央位置。這張有關(guān)磁場湍流的模擬圖是由芝加哥大學(xué)創(chuàng)建的。

圖片來源：勞倫斯·伯克利國家實驗室

7. 三維地形

即使是湍流現(xiàn)象中最為簡單的交互作用，計算機也需要數(shù)千小時進(jìn)行分析和模擬。這張圖片來自一項耗時近120萬處理器小時的研究計劃，所有時間都用來研究湍流如何在3個維度消耗能量上。

圖片來源：勞倫斯·伯克利國家實驗室

8. 風(fēng)的路徑

核電廠和化學(xué)工廠的冷卻塔會釋放有毒水滴，并被風(fēng)帶走。在冷卻塔周圍的其它高層建筑所在區(qū)域，這種空氣流動變得更加復(fù)雜，預(yù)示著哪些地方的有毒水滴不會被風(fēng)輕易帶走?？屏_拉多州立大學(xué)和ANSYS公司的研究人員創(chuàng)建了這副模擬圖，用以展示空氣流動的所有不同路徑。冷卻塔位于中央位置，就在顏色最為集中的區(qū)域附近。

圖片來源：科羅拉多州立大學(xué)和ANSYS公司

9. 穿過汽車護(hù)柵

在一個虛擬風(fēng)洞內(nèi)，空氣以大約每小時70英里(約合每小時112公里)的速度穿過2008年出產(chǎn)的一輛輕巡洋艦Z06的護(hù)柵。湍流強度越大，汽車?yán)每諝鈩恿W(xué)的程度就越低，但經(jīng)過引擎罩下方時，湍流也會起到冷卻引擎的作用。

圖片來源：通用汽車公司

10. 流體湍流

這是一張展示流體湍流如何在3個維度流動的圖片。在解釋這一復(fù)雜的圖片時，就連創(chuàng)建它的研究人員都感到有些頭疼。目前，他們的高性能超級計算機仍在費力地勾勒像飛機湍流一樣簡單的流體湍流輪廓。令人欣慰的是，隨著計算機運行速度更快以及效率更高的軟件出現(xiàn)，我們有可能看到更為清晰的圖片，展示風(fēng)如何吹、水如何從龍頭流出、流體在宇宙中移動和撞擊時會發(fā)生什么。

圖片來源：勞倫斯·伯克利國家實驗室