挑战经典物理学发现弹性湍流的惊人特性

新研究揭示了弹性湍流与经典牛顿湍流的共同点比预期的要多。

血液、淋巴液和其他生物液体经常表现出意想不到的、有时令人费解的特征。这些生物物质中有许多是非牛顿流体，由它们对应力和应变的非线性响应来定义。这意味着非牛顿流体并不总是以典型的液体方式运动。例如，这些独特的流体可能在温和的压力下改变形状，但在更强的力下却几乎像固体一样。

当涉及到独特的性质时，生物解决方案也不例外——其中之一就是弹性湍流。描述在含水的液体中加入少量聚合物而产生的混沌流体运动的术语。这种类型的湍流只存在于非牛顿流体中。

与之对应的是经典湍流，发生在牛顿流体中，例如，当河水高速流过桥柱时。虽然存在数学理论来描述和预测经典湍流，但弹性湍流仍然等待这样的工具，尽管它们对生物样品和工业应用很重要。“这种现象在微流体中很重要，例如在混合小体积聚合物溶液时，这可能很困难。”复杂流体和流动部门负责人马克·爱德华多·罗斯蒂（MarcoEdoardoRosti）教授解释说：“由于非常光滑的流动，它们不能很好地混合。”

对弹性湍流的新认识

到目前为止，科学家们认为弹性湍流与经典湍流完全不同，但该实验室最近在《自然通讯》杂志上发表的文章可能会改变这种观点。OIST的研究人员与印度TIFR和瑞典NORDITA的科学家合作，揭示了弹性湍流与经典牛顿湍流的共同点比预期的要多。

“我们的研究结果表明，弹性湍流具有普遍的能量幂律衰减和迄今未知的间歇性行为。这些发现使我们能够从一个新的角度看待弹性湍流问题，”罗斯蒂教授解释说。在描述流动时，科学家们经常使用速度场，“我们可以通过观察速度波动的分布来对流动进行统计预测，”该出版物的第一作者拉胡尔·k·辛格博士说。

“在研究经典牛顿湍流时，研究人员测量整个流动的速度，并使用两点之间的差异来创建速度差场。这里我们测量三个点的速度，并计算第二个差值。首先，通过减去在两个不同点处测量的流体速度来计算差值。然后，我们再减去两个这样的第一个差异，这就是第二个差异”辛格博士解释说。

这类研究带来了另一个挑战——运行这些复杂的模拟需要先进的超级计算机的力量，“我们的模拟有时会运行四个月，并输出大量数据，”罗斯蒂教授说。这种增加的细节水平导致了一个令人惊讶的发现——弹性湍流中的速度场是间歇性的。为了说明血流的间歇性，辛格博士以心电图（ECG）为例。

“在心电图测量中，信号有很小的波动，被非常尖锐的峰值打断。这种突然的大爆发被称为间歇性，”辛格博士说。在经典流体中，已经描述了这种小值和非常大值之间的波动，但仅适用于在高流速下发生的湍流。现在，研究人员惊讶地发现，在非常小的流速下，弹性湍流也出现了同样的模式。辛格博士强调说：“在如此低的流速下，我们没有预料到速度信号会出现如此强烈的波动。”

他们的发现，不仅朝着更好地理解低速湍流背后的物理学迈出了一大步，而且为发展描述弹性湍流的完整数学理论奠定了基础。罗斯蒂教授表示：“有了一个完美的理论，我们就可以预测流动和设计可以改变液体混合的装置。这在处理生物解决方案时可能很有用。”

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