何謂層流?? 紊流?? (急件)

Question

層流?? 紊流??
問這些的形成原理.....??
對物體運動的影響 ??

Answer 1

層流 (laminar flow)
層流中（或稱流線流體），每個水質點經過某一特定點時都和以前質點經過該點時所取的路徑相同。各個別質點的移動方向也和整個河川流動的方向一致。

紊流，或稱亂流，顧名思義就是亂七八糟的流場。在我們的日常生活中，在大自然裡，在工業應用中，它，幾乎占據了所有場合。說它亂，因為它無法預測與掌控；所謂亂，是量測到的數據永遠跳動不定，也不重複。事實上，不必到光速，甚至不必到聲速，紊流就可以發生。那就是說它再怎麼亂，也該遵守三大守恆定律吧！那就是說它再怎麼亂，也是有某種「秩序」的亂吧！什麼樣的秩序可以存在在紊流中呢？在這些秩序下，紊流又是如何「亂」呢？「亂中有序」，似混沌。可是，紊流與混沌是同一種東西嗎？ 這一門課，我們將一窺紊流的世界，課程內容將包括：流場穩定性觀念介紹(bursting processes、energy/enstrophy cascade、intermittency、coherent structures、turbulent diffusion etc)、紊流的基本特性介紹以及這些基本特性的量化比較、紊流拉扯及擴散效應平衡、紊流基礎理論(Kolmogorov theory, intermittence theory以及isotropic homogeneous turbulence theory)、紊流closure problem等(LES,RANS models)。

何謂湍流
由於液體和氣體可以流動，所以統稱為流體，其中最廣為人知的流體是水和空氣。要是我們細心留意，便會發現若只開水龍頭少許，流出來的水是平順和清澈的；開大些時，水流便不再平順，呈彎曲狀，並隨著時間而變化。這是流體運動呈現的兩種不同狀態：當速度低時，流動是有規律的，沒有摻混現象，稱為層流；當速度高時，流動是不規則的，並顯得雜亂無章，是為湍流。


重要的物理問題

湍流比層流普遍，在自然界及工程應用上遇到的流體運動，大都是處於湍流狀態的。因此，湍流是有實際重要性的問題。若我們能充分掌握及明白湍流的特性，便可更有效地改良交通工具的設計，減少汽車和飛機在行駛時的空氣阻力，從而節省燃油，又或令到燃料及氧化劑混合得更均勻，達至更有效及乾淨的燃燒。

此外，湍流亦牽引出很多至今仍未有圓滿答案的物理問題，如「已知流體運動的物理定律是簡單而明確的，那湍流這樣複雜及混亂的狀態是如何產生的呢？」「我們如何完整並準確地描述湍流的特性？」事實上，流體運動方程始建於十九世紀，科學家自上世紀中葉興起鑽研湍流，迄今廿一世紀，湍流依然是物理學一個重大挑戰。


兩個研究重點

當流體運動處於湍流狀態時，有關的物理量包括速度、壓力及溫度，都隨時間及空間呈現不規則和複雜的變化。基礎湍流研究的其中一個重點，便是從這些看來雜亂無章的變化中找出一些條理來。利用統計學的概率分布雖然可定量描述這些上上落落的變化（稱為漲落量），但是，要從流體運動方程計算這些漲落量的概率分布，是一件十分艱鉅的工作。

湍流的一個特徵是充斥著大大小小的漩渦。大漩渦不斷誕生，亦不斷分裂而產生小漩渦，而小漩渦又產生更小的漩渦。最後，流體的黏性把最小漩渦的能量耗散了。Lewis Richardson將這個過程寫成一首廣為流傳的短詩：


Big whorls have little whorls,
Which feed on their velocity,
And little whorls have lesser whorls,
And so on to viscosity.
一九四一年，Andrei Kolmogorov利用數學語言，將這個能量從大尺度傳送到小尺度的圖像發展成為一個理論。雖然這個理論的預測跟驗證結果並不完全吻合，卻已支配了湍流研究逾半個世紀。科學家認為，該理論跟實驗結果有出入，主因在於湍流的間歇性特質。所以，基礎湍流研究的另一個重點，便是去理解湍流的間歇性──亦即解決湍流的間歇性問題。



程淑姿教授先後於一九八六及八八年成為香港大學理學士及香港中文大學哲學碩士，其後往美國芝加哥大學深造，一九九二年獲授哲學博士學位。她曾在聖巴巴拉加州大學的理論物理研究所從事博士後研究，一九九五年加入中大物理系當講師，一九九九年獲華人物理學會授予亞洲物理成就獎，表揚她在湍流研究的貢獻。她專注理論物理學，研究興趣為非平衡及非線性系統，特別是湍流及斷裂力學。

研究成果

物理系程淑姿教授一九九零年開始鑽研湍流理論，一九九五年獲研究資助局撥款開展她在中大的首個湍流研究計劃──進一步發展其博士論文研究成果1，並得出利用條件統計來研究湍流的方法2。根據她的方法，任何物理量（如速度、壓力、溫度等）漲落量的概率分布，都可經由兩個條件平均量得出。顧名思義，那些數值是滿足了特定的物理條件（如指定的或某範圍內的溫度耗散率）才選取的平均量，所以更能揭示湍流的統計特性。這個方法也因而備受重視，經常給科學家引用來分析湍流的實驗數據，結果發現了湍流一些有趣而普遍的特性，以及在對流下出現的湍流的溫度概率分布偏離於正態分布的原因。另有人用它來研究其他系統漲落量的統計特性，例如恒生指數的波幅。

科學家普遍認為，研究在湍流中擴散的污染物質的統計特性，會有助理解湍流的間歇性特質；他們又發現程教授所提出的條件平均量，與污染物質濃度的間歇性有重要連繫，致使程教授的研究工作更受注目，亦促成她和Robert H. Kraichnan博士的合作研究。Kraichnan博士是世界著名的物理學家，從事湍流研究超過四十年，並獲得多個獎項及榮譽。他們從流體運動方程，成功地直接推導出某類湍流中一些條件平均量的結果3。程教授更大膽假設，污染物質濃度的間歇性特質是由污染物質耗散率的變化所造成，並成功推導出一些結果4。



黑線為溫度漲落量在浮力主導範疇內的條件分布，而紅線則為溫度漲落量在慣性主導範疇內的條件分布。圖中所見，兩者的形狀十分不同，清楚顯示在對流下出現的湍流的溫度漲落量，在不同的範疇，便有不同的統計特性。

繼續破解未解之謎

程教授在中文大學的首個湍流研究計劃於一九九八年初完成，解答了好些問題，卻也提出了更多新問題。她續獲研究資助局撥款，於一九九八年八月展開第二個研究計劃，目標是驗證她對污染物質濃度間歇性的假設，並研究在對流下出現的湍流的溫度漲落量的間歇性特質。

根據數值模擬的結果，該假設的基本物理想法是對的，只是假設的具體數學形式不對。在對流的研究上，研究人員在密封盒子的兩端施加不同溫度，盒內熱的流體便向上升，較冷的則往下沉，因而形成由溫度主導的流體運動。溫度亦被界定為主動標量，跟污染物質被動地依從流體而運動有別。主動標量的問題較被動標量的豐富，亦更有趣味。程教授的研究就果真顯示，溫度漲落量在不同的範疇，便有不同的統計特性5（上圖）。

去年十一月，程教授在研究資助局資助下，開展第三個有關湍流的研究計劃，重點探討在對流下出現的湍流的速度及溫度漲落量的相互關係。就這一點，科學家目前還沒有共識，程教授的研究將可開創新局面。她說：「湍流是一個大難題，但透過一點一滴的工作，相信終可理解這個引人入勝的物理現象。」
http://www.cuhk.edu.hk/puo/bulletin/issue/200101/research/turbulence_c.htm

Answer 2

感覺這問題有點像是...流力實驗講義上的問題與討論..