什么是湍流？科普工作者往往也不能用精炼的语言向公众说明。如诺贝尔物理学奖获得者、量子物理学家R·费曼（1918-1988年）称，湍流为“经典物理学尚未解决的最重要的难题”。科学家们对它望而生畏，于是，湍流被蒙上一层神秘的面纱。

　　实际上，我们对湍流并不陌生。当我们在空中旅行时，经常会遇到不稳定气流，从而导致飞机的起伏和颠簸。为了安全起见，乘务员就会提醒你必须系好安全带。其实，这就是飞机周围的湍流在作祟。湍流现象在自然界、工业装置和日常生活中也比比皆是，比如大气中的乱云飞渡、河流中的险滩急流、热电厂上空的滚滚浓烟、在动脉中流动着的血液等。

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　　水体、大气和等离子体这样的流体介质可以有两种运动状态：一种是层流，尽管介质的分子仍是无规则运动的，但流体团却在做有规则的运动。所以，你可以看到清晰的流线图像；另一种就是湍流，这时，介质的分子和流体团都在做无规则运动，所以，其迹线会缠绕成一团乱麻。早在500 多年前，达·芬奇就已经洞察到湍流的基本特征，并形象地描绘出湍流的素描图像。

达• 芬奇的湍流素描图像

　　1883年，英国力学家O·雷诺做了一个具有划时代意义的实验。他在圆管流动中注入纤细的染色液体，发现圆管流速较小时可以保持层流状态，色线清晰可见；然而当流速达到临界值后就转变成湍流状态，色线就迅速扩散开来了。他还给出了划分两种状态的临界雷诺数 Re=UR/v 约为2300。其中，U为流速，R为圆管半径，v为流体黏度。实际上，这个代表惯性力和黏性力比值的雷诺数，是流体团之间约束程度的度量。雷诺数愈大，意味着流速快、黏度小，流体团就愈能摆脱约束并发生混乱运动；反之，雷诺数愈小，就意味着流速慢、黏度大，流体团就只能循规蹈矩地做规则运动了。雷诺的开创性工作，推动了众多力学家、数学家、物理学家努力探索湍流的奥秘。

流体团无规则运动的湍流（Van Dyke 1982）

有清晰流线的层流（Van Dyke 1982）

　　因为湍流中的流体团处于混沌运动状态，在流场中的物理量都随时空发生着不规则的变化，如何表征湍流场，是对科学家的挑战。20世纪30年代，英国力学家G·I·泰勒发展了湍流统计理论，他用随机变量的矩（包括均值、方差、偏度、平坦度）和相关参数来描述湍流场及其演化，这些量对应于物理上的平均速度、湍流度、对称性、间隙性、雷诺应力等。细致观察湍流可以看到，湍流是由无数大大小小的不同尺度的涡团组成，外加的能量从大尺度的涡团输入，然后不断输送到小尺度的涡团中去， 最后破碎成更小的涡，以热的形式耗散能量。1941年，A·N·柯尔莫戈洛夫提出了能量级串的假定，并进一步给出了均匀各向同性湍流的普适能谱。

　　另一方面，1940年代，英国物理学家A·A·汤森从间歇现象预见到湍流中能具有大尺度结构。到20世纪70年代由于流动显示技术的发展，人们通过实验发现在混合层、尾流和边界层等处于不规则运动的剪切湍流中，仍然可以观察到相对有序的大尺度结构，如:旋涡发生、卷吸和合并，高/低速条带和发卡涡的猝发，湍流斑形成等，所以，湍流是一种兼有随机的统计行为和拟序的相干结构的流动状态。

高雷诺数的混合层的旋涡卷并（Brown & Roshko 1974）

湍流边界层中的条带结构（Kline 1967）

　　湍流的最大危害是增加飞行器、高速列车和汽车等的阻力，我们的飞机就要消耗更多的燃料。所以，飞机设计师就要千方百计地进行减阻，比如可以采用层流翼型，可以用边界层吹吸来推迟转捩，可以应用仿生原理采用纵向小肋或锯齿状蒙皮，可以加注高分子聚合物来达到减阻的目的。

　　显然，减阻可以产生巨大的经济效益，粗略估计，减小一个阻力点（阻力系数减小0.0001）可以增加8位乘客，减阻10% 可以使波音客机每年节油数百吨，航空公司提高利润40%，等等。同样的，我们发现，高速列车的噪声源来自于车头的膨胀压缩波，车身的速度剪切和车尾的旋涡脱落， 从而可采取相应措施以降低气动噪声，减轻对环境影响。

　　人们也常常需要在工业生产和日常生活中利用湍流的长处，如：在燃烧器中可采用大速差/偏置射流喷注燃料，通过强剪切产生旋涡和湍流，延长驻留时间，增强掺混，提高燃烧效率；在夜间和阴天，大气边界层往往处于稳定层结状态，只有当足够强的寒流到来，近地层的大气才能打破稳定层结并转变成湍流状态，浓重的雾霾才能烟消云散。所以，在燃煤和尾气严重污染得到根本治理以前，我们仍然在很大程度上依赖天气也就不奇怪了。更饶有兴趣的是，布满小凹坑的高尔夫球，可以通过产生湍流推迟转捩以减小前后压差阻力，所以，运动员一杆可以击出250 米的远距离。

　　一个多世纪以来，我们已经看到人类在湍流研究领域的巨大进展，不仅对于湍流的认识得到了深化，而且已经转化为许多实际应用，正改变着人类的生活。比如，今天我们可以乘坐波音和空客飞机，在十数小时内到达世界各地，基于雷诺平均方程的湍流模型理论在飞机设计中的作用功不可没。以上事实表明，我们完全不必像上个世纪的流体力学家H·兰姆那样悲观和无望。今天，我们已经积累了丰富的科学认识，E 级超级计算机即将问世，大涡模拟技术日趋成熟，高参数实验装置和先进测试技术正在不断取得新进展。所以，在21 世纪，我们对攻克“湍流”这一个经典物理学的难题，揭开她的神秘面纱，应该更加充满信心。

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　　层流与湍流的本质差异是什么？众所周知，流体在运动过程中，相邻流体之间会发生动量、能量和质量的交换和输运。在层流状态，这种输运主要通过无规则的分子运动进行，在湍流状态，则通过无规则的流体团运动进行。由于每个流体团包含了千万个分子，承载着更多的动量、能量和质量，所以，湍流用“集装箱”方式输运的效率极高，以涡粘性、热扩散、质量扩散系数表征的输运能力可以是层流状态的千万倍，尤其是湍流大尺度拟序结构的参与，可以极大地影响输运过程。根据这个原理，我们可以通过主动和被动控制湍流，除弊兴利，造福人类。

（作者简介：李家春，力学家，中国科学院院士。现任中国科学院力学研究所研究员、博士生导师，中国科学院大学工程科学学院院长。）