奥斯本-雷诺兹（Osborne Reynolds）正在 1883 年的实践中阐理解水流从层流到湍流的蜕化，从而提出了流体力学的根基题目。几十年后，奈杰尔-戈登菲尔德（Nigel Goldenfeld）和比约恩-霍夫（Björn Hof）教导的磋议职员操纵统计力学解开了这些谜团PG电子官网，阐明流体中层流到湍流的蜕化展现为定向渗滤--流速决心最佳萃取的观念，您能够分解为相仿于冲泡咖啡。

　　他们的跨学科本事揭示了这种蜕化能够用非平均态相变来描画，并为流体动力学供给了新的意见。

　　1883 年，奥斯本-雷诺兹（Osborne Reynolds）将墨水注入一根透后短管中的水中，巡视水的活动。他的实践标明，跟着输入水流速率的扩张，水流从层流（腻滑且可预测）变为湍流（担心谧且弗成预测），造成结果部的湍流斑块，即即日所说的Puffs。

　　他的职业帮帮开创了流体力学界限，但正如实践常常做的那样，他的职业提出了更多的题目冲泡。比方，层流和湍流之间为什么会产生转换，奈何定量描画这种转换？

　　固然雷诺兹没能找到谜底，但由加州大学圣地亚哥分校校长特聘物理学教学尼格尔-戈登菲尔德和奥地利科学工夫磋议所的比约恩-霍夫教导的一个国际磋议幼组，愚弄统计力学管理了这个永恒存正在的题目。他们的磋议效果颁发正在《天然-物理学》上。

　　这项职业的簇新之处正在于，磋议幼组不只从流体力学的角度来磋议这个题目，况且还从统计力学的角度来磋议这个题目。统计力学是物理学的一个分支，它应用数学来描画拥有洪量粒子的体系的举止。统计力学广泛合用于处于平均状况的体系，但湍流并不处于平均状况，由于能量不停进出流体。然而，磋议幼组正在先前职业的根蒂上阐明，正在层流和湍流之间的过渡点，流体正在管道中的运动处于非平均相变状况，即所谓的定向渗滤。倘使渗滤会让你联念到朝晨的咖啡，那么它正在这里供给了一个有效的例子。

　　咖啡渗滤时，水以必然的速率流经咖啡渣，并顺着重力宗旨向卑劣动。这种活动称为定向渗滤。速率太疾，咖啡会变淡；速率太慢，水会倒流并溅到台面上。最好的一杯咖啡是水流速率足够慢，以接收咖啡豆中最多的滋味，但又足够疾，使其通过过滤器时不会倒流。这便是所谓的定向渗滤转换。

　　这彷佛与流体湍流无合，但正在起首的职业中，磋议幼组和该界限的其他磋议职员有证据标明，定向渗流蜕化拥有与层流-湍流蜕化好像的统计特质。

　　这个题目曾经存正在了近150年冲泡，需求用相当规的思想来管理，戈登菲尔德说，他还正在雅各布斯工程学院和哈利西奥卢数据科学磋议所任职。再有功夫。团队中的少少成员正在这个题目上曾经职业了十多年。

　　湍流气泡沿模仿管道和实践挪动时的功夫轨迹冲泡，蓝域默示气泡交通阻塞。左边的图像比右边的图像更亲昵层流-湍流过渡，于是能够知道地看到，跟着定向渗流过渡的亲昵，交通阻塞慢慢消逝。图片源泉：Nigel Goldenfeld / 加州大学圣地亚哥分校

　　真相上，2016 年，正在戈登菲尔德及其互帮家提出层流-湍流蜕化表面的同时冲泡，霍夫磋议幼组就正在圆形几何中对层流-湍流蜕化举办了实践磋议。

　　假使霍夫磋议幼组曾经阐理解圆形几何体中的定向渗流，但正在管道云云的绽放几何体中会产生什么仍不知道。别的，正在管道几何体中举办实践也不确凿质。固然圆形是永无终点的，但磋议职员估量，正在管道中举办同样的实践需求 2.5 英里的长度，而采集须要的数据点需求几个世纪的功夫。

　　为了获得希望，磋议幼组做了两件事。最初，他们应用压力传感器巡视管道中的气泡，并切确丈量了气泡奈何影响相互的运动。他们将数据输入分子动力学算计机模仿冲泡，结果标明，从统计学角度来看，正在层流-湍流过渡左近，粉扑的举止与定向渗流过渡相当吻合。

　　其次，他们愚弄相变物理学的工夫，应用统计力学从数学上预测了Puffs的举止。这也验证了定向渗流蜕化的假设。

　　通过这项磋议，磋议幼组还从具体的实践和统计力学表面中挖掘了少少意念不到的东西：就像顶峰时段高速公道上的汽车雷同，粉扑容易酿成交通阻塞。倘使一个粉扑填满了管道的宽度，那么没有任何东西能够通过它，这意味着其他粉扑大概会正在它后面聚集起来。就像你大观念显露为什么会产生交通阻塞，为什么交通阻塞会正在无法确定来由的状况下消逝雷同，粉尘阻塞也会以统计力学所描画的式样自行造成和消逝。正在从层流到湍流的临界过渡点上，气泡阻塞往往会融解，让位于定向渗流过渡的异常统计举止。

　　戈登菲尔德评论道：这项职业不只揭开了管道层流-湍流蜕化的序幕冲泡，还揭示了来自区别科学学科的意见是奈何出人预意见阐明一个困难的。倘使没有统计力学的视角，就不大概分解这一范例的流体力学景色。PG电子官网咖啡杯里的风暴冲泡：科学家破解雷诺湍流的百年之谜