江蘇
能量往哪流？
從海洋到大氣，許多流體系統的運動都受到湍流支配；同時，湍流也是混合物質的一種高效機制。任何曾在海邊，或其他湍流水體附近停留過的人，都能感受到水流那種似乎恒定不變而又混亂無序的力量。然而，在翻涌的混亂之中，又似乎存在某種秩序。
能流是湍流理論的基石，指的是動能在不同運動尺度之間的傳遞。由納維-斯托克斯方程描述的湍流，其核心特征之一就是能量會在不同運動尺度之間傳遞，而凈能流的方向由流動的維度預先決定。
在海洋、大氣這樣的三維湍流中，注入宏觀尺度的能量會產生大的渦旋，而這些大渦旋會逐漸破碎、分解成越來越小的渦旋。這種向更小尺度的能量傳遞被稱為正向能流，最終會因能量耗散而停止。相比之下，在二維湍流中，這種能流方向則相反，也就是能量會從較小尺度傳遞到較大尺度，這一過程被稱為反向能流。
現在，一項新發表于《科學進展》的研究挑戰了長期以來關于能量如何在海洋、大氣等混沌系統中傳遞的傳統認識。一個研究團隊基于一個幾何框架，開展了實驗和直接數值模擬，生成了一種具有正向能流的二維湍流。也就是說，在這種湍流中，能量向更小尺度傳遞，方向與經典預期的相反。
幾何改寫能流
在新的研究中，研究人員探究了一個有趣而又具有實際意義的問題：是否可以通過合適的驅動方案，來操控湍流凈能流的方向？
他們的操控方法基于一個簡單觀察：湍流級聯過程可以被重新表述為一個力學過程。在這一過程中，不同運動尺度上的應力，可類比為力；應變率，可類比為位移；二者可以相互配合或相互對抗，從而在不同尺度之間產生正功或負功。
在二維湍流中，應力和應變率都可以表示為二階張量。當應力張量與應變率張量相互對齊時，小尺度會對大尺度做功，從而產生反向能流。相反，當這兩個張量相互垂直時，就會出現正向能流。這一力學圖像清楚地表明，幾何關系在決定能流方向中具有關鍵作用。
操控能流的關鍵，在于控制這兩個張量之間的對齊關系。如果這一直觀框架成立，它就可能產生具有凈反向能流的三維湍流，以及具有凈正向能流的二維湍流。
二維湍流實驗
在實驗和模擬中，研究人員聚焦于對二維湍流的操控，并通過電磁驅動的薄層流動實驗和直接數值模擬，展示了對凈能流方向的成功控制。
具體來說，他們在一個水深較淺的水槽中，生成了水平磁場，用來驅動二維流動。為了擾動這種流動，他們使用了一個桿陣列。在一層薄薄的電解質溶液中，示蹤粒子幫助研究人員獲得了流體運動的圖像。
他們證實了，根據張量之間的排列情況，以及力以何種方式相互作用，確實可以產生既表現出正向能流，也表現出反向能流的湍流。這一結論挑戰了長期以來的假設，而且，這一框架還可以進一步推廣到三維流動中。
潛在應用
研究人員表示，通過這個理論框架，或許可以利用尺度至多十米左右的小型物理邊界，去擾動跨度可達數千米的海洋輸運屏障。有可能改變能流的方向，也能幫助改善廢水或其他污染物在海岸線附近的擴散方式。
此外，這項研究還可以用于醫學領域。在小于一毫米的微流控流動中，液體的黏性使混合變得困難，因為其中幾乎沒有湍流。而通過調節力與位移之間的對齊關系，就可以產生微弱的低雷諾數湍流，從而加快試劑混合。
此外，這項研究還可能推動科學家改進對氣候變化背景下洋流和溫度的建模方式。隨著氣候變化改變風型和洋流，風應力與海流也可能改變能流的方向。理解造成這種變化的作用力，有助于建立更準確的模型。
#參考來源：
https://news.engineering.pitt.edu/pitt-researchers-rewire-the-energy-pathways-of-turbulence/
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv0956
#圖片來源：
封面圖&首圖：jingoba / Pixabay
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