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(huì)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(gè)不可見之物“顯形”后的樣子。 ?

１. 3D湍流

對(duì)于絕大多數(shù)人而言，湍流無疑是一個(gè)討厭的敵人，正是它讓飛行之旅出現(xiàn)“胃下沉?xí)r刻”。但對(duì)于研究人員來說，湍流卻是流動(dòng)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(diǎn)。

這是一張湍流的3D圖片。對(duì)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(duì)湍流有個(gè)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?cè)趫D片中看到的紫色部分。

圖片來源：勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室

２. 切變速度

當(dāng)不同密度的氣體以相對(duì)較高的速度移動(dòng)時(shí)，就會(huì)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(duì)移動(dòng)速度達(dá)到每小時(shí)380英里(約合每小時(shí)611公里)時(shí)，它們就會(huì)變成湍流。弗吉尼亞理工學(xué)院機(jī)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(dòng)速度外，所有氣體的流動(dòng)性都變得不穩(wěn)定，它們會(huì)起伏波動(dòng)并形成湍流?！?

圖片來源：明尼蘇達(dá)州大學(xué)

３. 飄動(dòng)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(zhǎng)發(fā)及洗發(fā)產(chǎn)品如何在氣流中飄動(dòng)，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(shí)間絕對(duì)超出我們想象。

圖片來源：ANSYS公司

４. 擊球瞬間

在空中飛行時(shí)，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(zhǎng)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(shí)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(dòng)很快變得猛烈起來。這項(xiàng)測(cè)試有助于我們了解恒星內(nèi)部的對(duì)流。

圖片來源：明尼蘇達(dá)州大學(xué)

6. 磁場(chǎng)

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(gè)圓盤中形成漩渦，但恒星的磁場(chǎng)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(chǎng)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(shí)驗(yàn)室

7. 三維地形

即使是湍流現(xiàn)象中最為簡(jiǎn)單的交互作用，計(jì)算機(jī)也需要數(shù)千小時(shí)進(jìn)行分析和模擬。這張圖片來自一項(xiàng)耗時(shí)近120萬處理器小時(shí)的研究計(jì)劃，所有時(shí)間都用來研究湍流如何在3個(gè)維度消耗能量上。

圖片來源：勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室

8. 風(fēng)的路徑

核電廠和化學(xué)工廠的冷卻塔會(huì)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(dòng)變得更加復(fù)雜，預(yù)示著哪些地方的有毒水滴不會(huì)被風(fēng)輕易帶走。科羅拉多州立大學(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(dòng)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(gè)虛擬風(fēng)洞內(nèi)，空氣以大約每小時(shí)70英里(約合每小時(shí)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(qiáng)度越大，汽車?yán)每諝鈩?dòng)力學(xué)的程度就越低，但經(jīng)過引擎罩下方時(shí)，湍流也會(huì)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(gè)維度流動(dòng)的圖片。在解釋這一復(fù)雜的圖片時(shí)，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(jí)計(jì)算機(jī)仍在費(fèi)力地勾勒像飛機(jī)湍流一樣簡(jiǎn)單的流體湍流輪廓。令人欣慰的是，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)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(dòng)和撞擊時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

圖片來源：勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室