風的路徑：氣體湍流照片(組圖)（圖）

2008-09-14 20:48 作者:孝文

據美國《探索》雜誌報導，『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「現形」後的樣子！

1.3D 湍流

 
對於絕大多數人而言，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」。但對於研究人員來說，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。對於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。為了便於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版本。

圖片來源：勞倫斯·伯克利國家實驗室

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，它們會起伏波動並形成湍流。』

圖片來源：明尼蘇達州大學

3.飄動的頭髮

很多開發類似洗髮香波產品的公司，都利用模擬方式，觀察長發及洗髮產品如何在氣流中飄動，以及如何與水、灰塵和其它因素髮生反應。為了製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像。

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於後面，致使阻力加大並減少落地距離，這就是為什麼要在高爾夫球表面製造凹痕。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。這項測試有助於我們瞭解恆星內部的對流。

圖片來源：明尼蘇達州大學

6.磁場


在新恆星誕生過程中，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，在一顆新誕生的恆星周圍的一個圓盤中形成漩渦，但恆星的磁場導致湍流產生，將物質撞出圓盤並使其墜入中央位置。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畫，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，並被風帶走。在冷卻塔周圍的其它高層建築所在區域，這種空氣流動變得更加複雜，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。冷卻塔位於中央位置，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 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。在解釋這一複雜的圖片時，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，以及效率更高的軟體出現，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，和撞擊時會發生什麼。

圖片來源：勞倫斯·伯克利國家實驗室