什么是湍流？科普工作者往往也不能用精煉的語言向公眾說明。如諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、量子物理學(xué)家R·費(fèi)曼（1918-1988年）稱，湍流為“經(jīng)典物理學(xué)尚未解決的最重要的難題”?？茖W(xué)家們對(duì)它望而生畏，于是，湍流被蒙上一層神秘的面紗。

　　實(shí)際上，我們對(duì)湍流并不陌生。當(dāng)我們?cè)诳罩新眯袝r(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到不穩(wěn)定氣流，從而導(dǎo)致飛機(jī)的起伏和顛簸。為了安全起見，乘務(wù)員就會(huì)提醒你必須系好安全帶。其實(shí)，這就是飛機(jī)周圍的湍流在作祟。湍流現(xiàn)象在自然界、工業(yè)裝置和日常生活中也比比皆是，比如大氣中的亂云飛渡、河流中的險(xiǎn)灘急流、熱電廠上空的滾滾濃煙、在動(dòng)脈中流動(dòng)著的血液等。

知識(shí)鏈接

　　水體、大氣和等離子體這樣的流體介質(zhì)可以有兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：一種是層流，盡管介質(zhì)的分子仍是無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的，但流體團(tuán)卻在做有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。所以，你可以看到清晰的流線圖像；另一種就是湍流，這時(shí)，介質(zhì)的分子和流體團(tuán)都在做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，所以，其跡線會(huì)纏繞成一團(tuán)亂麻。早在500 多年前，達(dá)·芬奇就已經(jīng)洞察到湍流的基本特征，并形象地描繪出湍流的素描圖像。

達(dá)? 芬奇的湍流素描圖像

　　1883年，英國(guó)力學(xué)家O·雷諾做了一個(gè)具有劃時(shí)代意義的實(shí)驗(yàn)。他在圓管流動(dòng)中注入纖細(xì)的染色液體，發(fā)現(xiàn)圓管流速較小時(shí)可以保持層流狀態(tài)，色線清晰可見；然而當(dāng)流速達(dá)到臨界值后就轉(zhuǎn)變成湍流狀態(tài)，色線就迅速擴(kuò)散開來了。他還給出了劃分兩種狀態(tài)的臨界雷諾數(shù) Re=UR/v 約為2300。其中，U為流速，R為圓管半徑，v為流體黏度。實(shí)際上，這個(gè)代表慣性力和黏性力比值的雷諾數(shù)，是流體團(tuán)之間約束程度的度量。雷諾數(shù)愈大，意味著流速快、黏度小，流體團(tuán)就愈能擺脫約束并發(fā)生混亂運(yùn)動(dòng)；反之，雷諾數(shù)愈小，就意味著流速慢、黏度大，流體團(tuán)就只能循規(guī)蹈矩地做規(guī)則運(yùn)動(dòng)了。雷諾的開創(chuàng)性工作，推動(dòng)了眾多力學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家努力探索湍流的奧秘。

流體團(tuán)無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的湍流（Van Dyke 1982）

有清晰流線的層流（Van Dyke 1982）

　　因?yàn)橥牧髦械牧黧w團(tuán)處于混沌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在流場(chǎng)中的物理量都隨時(shí)空發(fā)生著不規(guī)則的變化，如何表征湍流場(chǎng)，是對(duì)科學(xué)家的挑戰(zhàn)。20世紀(jì)30年代，英國(guó)力學(xué)家G·I·泰勒發(fā)展了湍流統(tǒng)計(jì)理論，他用隨機(jī)變量的矩（包括均值、方差、偏度、平坦度）和相關(guān)參數(shù)來描述湍流場(chǎng)及其演化，這些量對(duì)應(yīng)于物理上的平均速度、湍流度、對(duì)稱性、間隙性、雷諾應(yīng)力等。細(xì)致觀察湍流可以看到，湍流是由無數(shù)大大小小的不同尺度的渦團(tuán)組成，外加的能量從大尺度的渦團(tuán)輸入，然后不斷輸送到小尺度的渦團(tuán)中去， 最后破碎成更小的渦，以熱的形式耗散能量。1941年，A·N·柯爾莫戈洛夫提出了能量級(jí)串的假定，并進(jìn)一步給出了均勻各向同性湍流的普適能譜。

　　另一方面，1940年代，英國(guó)物理學(xué)家A·A·湯森從間歇現(xiàn)象預(yù)見到湍流中能具有大尺度結(jié)構(gòu)。到20世紀(jì)70年代由于流動(dòng)顯示技術(shù)的發(fā)展，人們通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在混合層、尾流和邊界層等處于不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的剪切湍流中，仍然可以觀察到相對(duì)有序的大尺度結(jié)構(gòu)，如:旋渦發(fā)生、卷吸和合并，高/低速條帶和發(fā)卡渦的猝發(fā)，湍流斑形成等，所以，湍流是一種兼有隨機(jī)的統(tǒng)計(jì)行為和擬序的相干結(jié)構(gòu)的流動(dòng)狀態(tài)。

高雷諾數(shù)的混合層的旋渦卷并（Brown & Roshko 1974）

湍流邊界層中的條帶結(jié)構(gòu)（Kline 1967）

　　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(jī)就要消耗更多的燃料。所以，飛機(jī)設(shè)計(jì)師就要千方百計(jì)地進(jìn)行減阻，比如可以采用層流翼型，可以用邊界層吹吸來推遲轉(zhuǎn)捩，可以應(yīng)用仿生原理采用縱向小肋或鋸齒狀蒙皮，可以加注高分子聚合物來達(dá)到減阻的目的。

　　顯然，減阻可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，粗略估計(jì)，減小一個(gè)阻力點(diǎn)（阻力系數(shù)減小0.0001）可以增加8位乘客，減阻10% 可以使波音客機(jī)每年節(jié)油數(shù)百噸，航空公司提高利潤(rùn)40%，等等。同樣的，我們發(fā)現(xiàn)，高速列車的噪聲源來自于車頭的膨脹壓縮波，車身的速度剪切和車尾的旋渦脫落， 從而可采取相應(yīng)措施以降低氣動(dòng)噪聲，減輕對(duì)環(huán)境影響。

　　人們也常常需要在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中利用湍流的長(zhǎng)處，如：在燃燒器中可采用大速差/偏置射流噴注燃料，通過強(qiáng)剪切產(chǎn)生旋渦和湍流，延長(zhǎng)駐留時(shí)間，增強(qiáng)摻混，提高燃燒效率；在夜間和陰天，大氣邊界層往往處于穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)，只有當(dāng)足夠強(qiáng)的寒流到來，近地層的大氣才能打破穩(wěn)定層結(jié)并轉(zhuǎn)變成湍流狀態(tài)，濃重的霧霾才能煙消云散。所以，在燃煤和尾氣嚴(yán)重污染得到根本治理以前，我們?nèi)匀辉诤艽蟪潭壬弦蕾囂鞖庖簿筒黄婀至?。更饒有興趣的是，布滿小凹坑的高爾夫球，可以通過產(chǎn)生湍流推遲轉(zhuǎn)捩以減小前后壓差阻力，所以，運(yùn)動(dòng)員一桿可以擊出250 米的遠(yuǎn)距離。

　　一個(gè)多世紀(jì)以來，我們已經(jīng)看到人類在湍流研究領(lǐng)域的巨大進(jìn)展，不僅對(duì)于湍流的認(rèn)識(shí)得到了深化，而且已經(jīng)轉(zhuǎn)化為許多實(shí)際應(yīng)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(jī)，在十?dāng)?shù)小時(shí)內(nèi)到達(dá)世界各地，基于雷諾平均方程的湍流模型理論在飛機(jī)設(shè)計(jì)中的作用功不可沒。以上事實(shí)表明，我們完全不必像上個(gè)世紀(jì)的流體力學(xué)家H·蘭姆那樣悲觀和無望。今天，我們已經(jīng)積累了豐富的科學(xué)認(rèn)識(shí)，E 級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)即將問世，大渦模擬技術(shù)日趨成熟，高參數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置和先進(jìn)測(cè)試技術(shù)正在不斷取得新進(jìn)展。所以，在21 世紀(jì)，我們對(duì)攻克“湍流”這一個(gè)經(jīng)典物理學(xué)的難題，揭開她的神秘面紗，應(yīng)該更加充滿信心。

知識(shí)鏈接

　　層流與湍流的本質(zhì)差異是什么？眾所周知，流體在運(yùn)動(dòng)過程中，相鄰流體之間會(huì)發(fā)生動(dòng)量、能量和質(zhì)量的交換和輸運(yùn)。在層流狀態(tài)，這種輸運(yùn)主要通過無規(guī)則的分子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行，在湍流狀態(tài)，則通過無規(guī)則的流體團(tuán)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行。由于每個(gè)流體團(tuán)包含了千萬個(gè)分子，承載著更多的動(dòng)量、能量和質(zhì)量，所以，湍流用“集裝箱”方式輸運(yùn)的效率極高，以渦粘性、熱擴(kuò)散、質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)表征的輸運(yùn)能力可以是層流狀態(tài)的千萬倍，尤其是湍流大尺度擬序結(jié)構(gòu)的參與，可以極大地影響輸運(yùn)過程。根據(jù)這個(gè)原理，我們可以通過主動(dòng)和被動(dòng)控制湍流，除弊興利，造福人類。

（作者簡(jiǎn)介：李家春，力學(xué)家，中國(guó)科學(xué)院院士?，F(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研究員、博士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)。）