江苏
能量往哪流？
从海洋到大气，许多流体系统的运动都受到湍流支配；同时，湍流也是混合物质的一种高效机制。任何曾在海边，或其他湍流水体附近停留过的人，都能感受到水流那种似乎恒定不变而又混乱无序的力量。然而，在翻涌的混乱之中，又似乎存在某种秩序。
能流是湍流理论的基石，指的是动能在不同运动尺度之间的传递。由纳维-斯托克斯方程描述的湍流，其核心特征之一就是能量会在不同运动尺度之间传递，而净能流的方向由流动的维度预先决定。
在海洋、大气这样的三维湍流中，注入宏观尺度的能量会产生大的涡旋，而这些大涡旋会逐渐破碎、分解成越来越小的涡旋。这种向更小尺度的能量传递被称为正向能流，最终会因能量耗散而停止。相比之下，在二维湍流中，这种能流方向则相反，也就是能量会从较小尺度传递到较大尺度，这一过程被称为反向能流。
现在，一项新发表于《科学进展》的研究挑战了长期以来关于能量如何在海洋、大气等混沌系统中传递的传统认识。一个研究团队基于一个几何框架，开展了实验和直接数值模拟，生成了一种具有正向能流的二维湍流。也就是说，在这种湍流中，能量向更小尺度传递，方向与经典预期的相反。
几何改写能流
在新的研究中，研究人员探究了一个有趣而又具有实际意义的问题：是否可以通过合适的驱动方案，来操控湍流净能流的方向？
他们的操控方法基于一个简单观察：湍流级联过程可以被重新表述为一个力学过程。在这一过程中，不同运动尺度上的应力，可类比为力；应变率，可类比为位移；二者可以相互配合或相互对抗，从而在不同尺度之间产生正功或负功。
在二维湍流中，应力和应变率都可以表示为二阶张量。当应力张量与应变率张量相互对齐时，小尺度会对大尺度做功，从而产生反向能流。相反，当这两个张量相互垂直时，就会出现正向能流。这一力学图像清楚地表明，几何关系在决定能流方向中具有关键作用。
操控能流的关键，在于控制这两个张量之间的对齐关系。如果这一直观框架成立，它就可能产生具有净反向能流的三维湍流，以及具有净正向能流的二维湍流。
二维湍流实验
在实验和模拟中，研究人员聚焦于对二维湍流的操控，并通过电磁驱动的薄层流动实验和直接数值模拟，展示了对净能流方向的成功控制。
具体来说，他们在一个水深较浅的水槽中，生成了水平磁场，用来驱动二维流动。为了扰动这种流动，他们使用了一个杆阵列。在一层薄薄的电解质溶液中，示踪粒子帮助研究人员获得了流体运动的图像。
他们证实了，根据张量之间的排列情况，以及力以何种方式相互作用，确实可以产生既表现出正向能流，也表现出反向能流的湍流。这一结论挑战了长期以来的假设，而且，这一框架还可以进一步推广到三维流动中。
潜在应用
研究人员表示，通过这个理论框架，或许可以利用尺度至多十米左右的小型物理边界，去扰动跨度可达数千米的海洋输运屏障。有可能改变能流的方向，也能帮助改善废水或其他污染物在海岸线附近的扩散方式。
此外，这项研究还可以用于医学领域。在小于一毫米的微流控流动中，液体的黏性使混合变得困难，因为其中几乎没有湍流。而通过调节力与位移之间的对齐关系，就可以产生微弱的低雷诺数湍流，从而加快试剂混合。
此外，这项研究还可能推动科学家改进对气候变化背景下洋流和温度的建模方式。随着气候变化改变风型和洋流，风应力与海流也可能改变能流的方向。理解造成这种变化的作用力，有助于建立更准确的模型。
#参考来源：
https://news.engineering.pitt.edu/pitt-researchers-rewire-the-energy-pathways-of-turbulence/
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv0956
#图片来源：
封面图&首图：jingoba / Pixabay
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