短訊

風的路徑

湍流是一種自然存在的現象，只要有空氣就會有湍流發生。可是，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“胃下沉時刻”。但對于研究人員來說，湍流卻是流動物質——包括所有液體和氣體——交互作用變得猛烈和混亂的關鍵點。

這是一張湍流的3D圖片。對于有關湍流的原始數據，我們很難將其理解為抽象數字以外的任何東西。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。弗吉尼亞理工學院機械工程學副教授達尼什·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定，它們會起伏波動并形成湍流。”

圖片來源：明尼蘇達州大學

３. 飄動的頭發

很多開發類似洗發香波產品的公司都利用模擬方式，觀察長發及洗發產品如何在氣流中飄動，以及如何與水、灰塵和其它因素發生反應。為了制造完美的風吹發效果，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遠高于后面，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行更親密接觸，進而產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定的分界面，最初的小規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部的對流。

圖片來源：明尼蘇達州大學

6. 磁場

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

圖片來源：勞倫斯·伯克利國家實驗室

7. 三維地形

即使是湍流現象中最為簡單的交互作用，計算機也需要數千小時進行分析和模擬。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. 風的路徑

核電廠和化學工廠的冷卻塔會釋放有毒水滴，并被風帶走。在冷卻塔周圍的其它高層建筑所在區域，這種空氣流動變得更加復雜，預示著哪些地方的有毒水滴不會被風輕易帶走。科羅拉多州立大學和ANSYS公司的研究人員創建了這副模擬圖，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域附近。

圖片來源：科羅拉多州立大學和ANSYS公司

9. 穿過汽車護柵

在一個虛擬風洞內，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年出產的一輛輕巡洋艦Z06的護柵。湍流強度越大，汽車利用空氣動力學的程度就越低，但經過引擎罩下方時，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。在解釋這一復雜的圖片時，就連創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，我們有可能看到更為清晰的圖片，展示風如何吹、水如何從龍頭流出、流體在宇宙中移動和撞擊時會發生什么。

圖片來源：勞倫斯·伯克利國家實驗室