“水之大师”达芬奇:探求水的力量与美

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金沙澳门官网网址,近日,上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院的周岱教授研究团队在美国物理联合会(American
Institute of Physics,
AIP)主办的流体力学领域国际权威期刊《流体物理》(Physics of
Fluids)上,以“Modification of turbulent wake characteristics by two
small control cylinders at a subcritical Reynolds number”(DOI:
10.1063/1.5046447)为题,在线发表了柱体尾迹湍流干扰效应研究的新进展,成果作为主编精选(Editor‘s
Pick,
EP)论文的首篇登载于该刊网站主页。研究生闫亭为第一作者,周岱和包艳副研究员共同为通讯作者。

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在意大利佛罗伦萨的市政记录中,记载了博学家列奥纳多·达·芬奇(Leonardo da
Vinci)的一个特殊头衔。在这份记录中,达·芬奇被誉为“水之大师”(Master of
Water)。他探索过如何将阿尔诺河从比萨引开,以便切断敌人从海上通往佛罗伦萨的通道。他从事过许多项为军事目的而进行的水流控制任务。

自然界和工程实际中广泛存在钝体绕流现象。流体流动经过钝体,因流动分离和旋涡脱落而使钝体承受周期性流体动力作用。这种动力作用可能诱发钝体大幅度振动而减损其性能和寿命。与此相反,对海流能或潮流能的利用,通过激发流体流动引起的钝体结构振动可获取其周围海流能或潮流能。圆柱做为典型钝体,其绕流是研究上述互逆问题的流体力学经典物理模型。已有研究显示,在近尾流区适当位置配置小径圆柱体可有效控制主圆柱尾流性态及其发展;但对此问题的现有研究多集中于层流流动范围,这与客观不符。

艺术是大众的也是个人的,因为任何一种艺术形式,在被万众欣赏的同时也彰显着创作者的个人色彩。在绘画领域,着名的画家很多,他们的画作即便受到年代、环境等因素的影响,仍形成了各自独特的风格。梵高,便是其中最具魅力的画家之一。

如果我们翻看达·芬奇的笔记,就会发现他对水的力量有着更广更深的关注。他不仅想了解潮汐的涨落,还想知道河流与海洋的起源,他探究水的循环,并思考在侵蚀、洪水、雨水和风暴等现象中水所起的可怕作用。

尾迹湍流问题十分复杂。周岱研究团队面向自然界和工程的客观实际,针对亚临界雷诺数条件,系统性量化揭示了两个小径圆柱体对主圆柱尾迹湍流特性的复杂干扰效应和影响规律。通过精细化分析,发现湍流条件下小径圆柱体对主圆柱水动力特性的影响与层流条件下的情形完全不同,小径圆柱体对湍流强度的增强效应十分明显,并显著改变回流区的拓扑结构(见图1)。主圆柱与小径圆柱间的喷射流使剪切层湍流的转捩猝发位置向前移动,导致雷诺应力的显著增强和水动力特性的明显改变(见图2)。成果揭示的湍流条件下小径圆柱体对主圆柱尾迹涡动力学特性的干扰效应机理,对研究钝体绕流的巧妙控制和有效利用具有重要的科学价值和应用意义。

荷兰画家文森特·威廉·梵高是19世纪西方印象画派的大师,也是表现主义绘画的先驱。梵高受到印象派和后印象派运动启发,激起了创作的热情,他短暂的一生共创作出两千余幅作品。梵高,这位天才画家的过早陨落让人惋惜,但他留下的作品至今令人着迷。2018年6月3日,在山西省太原市,150名画师共绘梵高着名油画作品《星月夜》。《星月夜》是梵高于1889年创作的一幅油画,也是梵高的代表作之一,现藏于纽约现代艺术博物馆。正是这幅着名油画告诉我们,梵高不仅是一位绘画天才,也许还是一位数学大师。

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在油画《星月夜》中有一个个大大小小的旋涡,这种旋涡形状在物理学中有一个专业术语——湍流。湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。在湍流中流体的各种物理参数,如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。湍流涉及从微观到宏观多种不同类型的运动,内部外部的能量交换也非常复杂,被称为“经典物理学最后的疑团”。

达·芬奇设计的液压锯模型重建。| 图片来源:Jakub Ha?un / Wikimedia Commons

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几个世纪以来,科学家一直试图用精确的数学模型来描述湍流现象,但却难以绘制出湍流的完美模型。上世纪40年代,前苏联数学家柯尔莫哥洛夫提出了“柯尔莫哥洛夫微尺度”公式。借助这个公式,物理学家可以预测流体任意两点之间在速率和方向上的关系。然而近年来,科学家意外发现《星月夜》画作中的光与影似乎显露出“湍流”的真容。他们研究后惊讶地发现,梵高画中的“湍流”竟然真的与描述湍流的数学公式“柯尔莫哥洛夫微尺度”相吻合。也就是说,梵高的《星月夜》画作完美地可视化了这一涡流理论。

水是一种不可忽视的力量,它既是一种理念,也是一种现实。在达·芬奇看来,即使人类无法完全控制水,但仍可以对其加以利用。在他的一生中,他被委以过一系列与水相关的工程任务,尤其是在跟作战有关的运河方面。

图 1
小径圆柱体对主圆柱尾迹湍流特性的干扰效应的可视化结果(三维和两维尾迹涡结构)

在生命的最后时光里,梵高创作了《星月夜》、《麦田上的乌鸦》等较为着名的画作,在所有这些画作中,都能找到湍流经典数学模型的影子。虽然有些理论家指出梵高在精神极不稳定的情况下才创作出了这些名作,但是无论如何,梵高都是一位具有绘画、数学甚至物理天赋的奇才。

对达·芬奇而言,在流动、回旋、旋涡中的水极具魅力。他曾这样描绘圣经中的洪水:“膨胀的水体会席卷水池,水池中的水撞击到不同的障碍物而泛起漩涡,迸溅出泡沫跃入空中,然后落下,接着落回的水又再次冲到空中。”

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在他对洪水的思考过程中,水的破坏力占据了他的核心思维。他对流水的描述并不停留在某一个时刻的观察,而是会思考流水的整个过程。虽然他有着圣经式的思维方式,但他与现代科学家一样,对海啸等具有巨大破坏力的水流现象非常感兴趣。

图 2 小径圆柱体对主圆柱尾迹湍流特性的干扰效应的量化结果(无控——有控)

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