【科學前沿】科學家成功製造出風暴湍流,或將能破解物理學中的最大謎團之一

天空之城 2020/11/06 檢舉 我要評論

湍流是一種無處不在的現象,也是物理學的最大謎團之一。德國奧爾登堡大學的一個研究小組,現在已經成功地在風能研究中心(ForWind)風洞中產生了逼真的風暴湍流。猛烈的暴風雨似乎經常會留下隨機的破壞:雖然一所房子的屋頂瓦片被吹走了,但鄰近的財產可能根本不會受損。造成這些差異的原因是陣風——或者,正如物理學家所說的,是局部湍流,它是 [大尺度]大氣流動的結果。

但到目前為止,還不可能對其進行非常詳細的預測。來自奧爾登堡大學和里昂大學的物理學家們,現在已經為研究小尺度湍流鋪平了道路:由奧爾登堡物理學家約阿希姆·佩因克博士領導的團隊,成功地在風洞中產生了湍流。這種流動類似於大風中的流動。其研究成果發表在《物理評論快報》期刊上,研究小組已經找到了一種從風暴中「切下」一塊的方法。實驗發現使該風洞成為新一代這樣的設施模型,例如,在其中,湍流對風力渦輪機的影響可以被現實地研究。

未解的方程

表徵湍流最重要的參數是所謂的 雷諾數:這個物理量描述了介質中動能與摩擦力的比值。簡單地說,你可以說:雷諾數越大,水流就越湍急。湍流最大謎團之一是它的統計資料:如果你觀察較小的尺度,就會更頻繁地發生極端事件,如強風和突如其來的陣風。研究小組「湍流、風能和隨機」的負責人Peinke解釋說:水流的湍流漩渦在較小的尺度上變得更加嚴重。因此,在強風暴中(也就是雷諾數高的時候)蒼蠅受到氣流條件的影響要比飛機大得多。

具體原因尚不為人所知:描述流體的物理方程在涉及湍流時尚未求解。這項任務是著名的千年數學問題之一,美國克萊數學研究所在解決這個問題上每年投入了一百萬美元。在風能研究中心的大型風洞中,奧爾登堡團隊現在已經成功地產生了比以往任何時候都更多的湍流風力條件。與之前的實驗相比,研究人員將雷諾數增加了100倍,從而模擬了與真實風暴中遇到情況相似的條件。目前還沒有看到上限,但產生的湍流已經非常接近現實。

奧爾登堡風洞有一個30米長的測試部分,四個風扇可以產生高達每小時150公里的風速,相當於一級颶風。為了創造湍流氣流,研究人員使用了所謂的主動網格,這是為大型奧爾登堡風洞的特殊要求而開發的。這個結構的大小為3米乘3米,位於風洞的開始處,由近千個菱形的小鋁翼組成,而且金屬板是可移動的。它們可以通過80個水準軸和垂直軸在兩個方向上旋轉。這使得風能研究人員可以有選擇地在短時間內阻塞並重新打開風洞噴嘴的小區域,導致空氣旋轉。

拉爾斯·紐豪斯(Lars Neuhaus)也是該團隊的成員,在這項研究中發揮了關鍵作用,他解釋說:有了世界上最大的活動網格,我們可以在風洞中產生許多不同的湍流風場。在實驗中,研究小組以一種混亂的方式改變了柵格運動,類似於湍流中發生的情況。他們還不定期地更換球迷的電源。因此,除了小尺度湍流外,氣流在風洞的縱向上產生了更大運動。研究的主要發現是,風洞氣流將這兩種成分結合成完美的、真實的風暴湍流,這場風暴湍流出現在活動網格後面10到20米處。

小規模的漩渦

通過調整風洞的柵格和風扇,風洞實驗已經產生了大約十到一百米大小的湍流。同時,幾米或更小的小尺度湍流自發出現。然而,仍然不知道確切的原因,這種新方法使得在風洞中將與風力渦輪機、飛機或房屋相關的大氣湍流縮小到一米大小成為可能。這將允許研究人員在未來用微型模型進行現實的實驗,在這些模型中,極端陣風的發生頻率與真正的風暴一樣頻繁。

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