《学霸系科学家系统》第39章 湍流实验

    下午，卓越跟随纪教授去他的实验室。
    这是一个很大的实验基地，在门口通过保安的检查后，他们的车开进去。
    纪教授道：“这里不仅有空气动力实验室，还有运动学实验室、材料学实验室、结构力学实验室、航空发动机实验室和航空电子系统实验室等！”
    卓越透过车窗向外面看去，实验室基地就像一个科技园一样，占地面积有五千多亩，有一个很大的人工湖，人工湖旁边有一个好似飞机一样的建筑，在四周有序的落着一个个方形好似厂房一般的建筑。
    车子在停车场停下，他们步行到一所建筑前，通过纪教授的指纹验证后进入实验室。
    里面有许多来来往往穿着白大褂的人，看到纪教授停下来问好，然后又好奇的看一眼卓越和杨教授，之后匆匆离开，所有人好像都很忙的样子，走路步伐快速。
    弯弯绕绕后进入一间面积有一百多平的房间里。
    看到里面的设备卓越眼中惊喜。
    只见房子的靠墙的位置有一个十几立方米的水箱，水箱的上方有一个进水口，下方连接下水道出水口。
    在水箱的上方和正前方各有一个激光片。
    在水箱的左边有一个十几平的空地，空地的墙壁上是一个直径一米的圆洞，圆洞里有一个大风扇，在大风扇的对面还有一个大风扇，在风扇的上方和左面各有一个激光片。
    在它们的正前方，距离水箱有两米的距离，也就是房间的中间，有一排机器，中间是三台电脑，斜卧放着，在电脑的右边有一个全息投影仪，在电脑的左边有一台打印机。
    在这排机器与水箱之间还有两个正正方方，头颅大小的同步器，放置在地上。
    卓越走到那排机器前，惊喜的看着这些机器，女人喜欢包、口红和高跟鞋，男人喜欢汽车和手表。
    而卓越对科研机器却是独有情钟！
    许久后卓越转头看向一旁的纪教授，指着全息投影仪道：“纪教授，这可以做三维技术实验吗？”
    “当然可以。”纪教授笑道：“现代科技的进步，让我们抛弃了原始的实验方式，三维技术可让我们直观的看到实验的全息全景效果图。”
    “同时，因为三维技术的出现，让我们多出来许多种实验技术，在湍流上的实验技术就是高时空分辨率三维速度场测量技术。”
    看着跃跃欲试的卓越，纪教授笑道：“要不要试试？”
    卓越激动的问道：“可以吗？”
    在湍流上他以前做过最好的实验就是可压缩湍流的测量，一种比较老旧的技术，是用光学分析法，以杨氏干涉条得到的粒子平均位移，进而得到速度场。
    这种技术还是上世纪八十年代出现的，在很多地方几乎淘汰了这种技术。
    “当然可以，你可以亲自来操作。”纪教授踏前一步，走到卓越的身边，道：“我来给你讲解一下操作步骤。”
    许久后，卓越熟悉了机器上的按钮和操作步骤。
    “记住了吗？记住的话你来试试。”
    卓越压下忐忑而激动的心情，道：“记住了。”
    “那就开始吧！”
    卓越呼出一口气，按动启动按钮。
    瞬间，嗡的一声，电脑启动，同步器运转，全息投影仪响起，激光片亮起。
    之后他按动放水，瞬间，水箱的上面落下一条旋转的水柱，他转头看去，全息投影仪上出现一个1:10模拟，由激光形成的水柱。
    纪教授道：“现在开始选择流动显示！”
    卓越首先选择流线！
    流动显示有三种，分别是流线、迹线和染色体，三种显示的效果各有不同。
    很快，电脑屏幕上出现一段曲线，这是水流流动时所有部分的速度方向的曲线。
    杨教授走过来，三人一起看向电脑屏幕。
    纪教授道：“转为迹线！”
    按动迹线按钮，鼠标随机点击水流中的某个水流点，屏幕上出现波幅不同的曲线。
    这是他所选的水流点的速度方向不同时间段所形成的曲线。
    “最后是染色体！”
    染色体也叫做脉线，脉线是水流中固定的某个点，流经这个点的流体微团组成的一条染色体。
    “好了，关掉吧！”
    卓越按动关闭按钮，所有机器全部停止运行，水箱中的水从出水口流出去。
    纪教授看向卓越笑着问道：“感觉怎么样？”
    卓越笑道：“比学校里的机器实验好太多了。”
    “哈哈……学校里的设备都是老旧的，所以给你们学生随便摆弄，但我这里的设备都是最新的，那帮欧洲人不缺钱，我就让他们给我弄来这一套装备。”
    “虽然不是最顶尖的，但也是非常优质的。”
    “想不想试试更多的流动显示？”
    卓越眼睛一亮，问道：“还有别的流动显示？”
    “当然，我这里不仅有染色体，还有氢气泡、悬浮粒子、自由表面和片光。”
    “这才仅仅只是水流的，我还有低速气流流动显示。”
    “分别有烟线、丝线和荧光微丝。”
    听的卓越心中激动，这些实验方法大部分他只在PPT上看过，有些他连PPT上都没看过，只听说过。
    杨教授瞥了一眼纪教授，不就有个实验室吗，又好运到这所实验室背后是个土财主，看把他的意的。
    纪教授笑着问道：“你想实验哪种？”
    “悬浮粒子流动显示！”
    悬浮粒子流动显示，是最先进的实验方式，听说做出来的实验很漂亮，喷出来的水流就好似由无数萤火虫组成的一般。
    “我们去隔壁房间！”
    隔壁房间的设备与先前的房间设备差不多，只是没有风扇，只有一个水箱。
    水箱的水不是从上面流下来的，在水箱的右边有一个直径十厘米左右的铁管。
    房间里很黑，只有电脑的旁边有三盏灯，灯光还只对着电脑附近，水箱中很是黑暗。
    纪教授道：“这里我来，你在旁边看着。”
    “嗯！”卓越点头。
    纪教授一边操作一边讲解。
    “悬浮粒子流动显示是用一些可视的固体微粒或油滴混到水流中，从固体微粒或油滴的运动状态来了解水流的流动结构。”
    “一般可用的材料有聚苯乙烯微粒、铝粉、蜡和松脂的混合物制成的银白色小球和油滴。”
    说着他启动机器，指着一个按钮道：“银白色小球早就混合好的，这个按钮是将这些银白色小球放到水中。”
    他按动按钮后，只听到无数哒哒声连续而密集的响起，就好似无数小铁球在铁管中滚动。
    十几秒后，声音才渐渐消失！
    “这个按钮是发射！”
    他按动发射按钮后，瞬间，一道淡青色水流快速喷射出来，好似一道火焰，出现一副绚丽的画面。
    卓越眼神迷离的看着这一幕。
    科研并不是像外人想象的枯燥无味，它有它的美丽，只是一般人看不到，也想象不到。
    只有科研人员在实验的时候才能享受到。
    电脑屏幕上显示着一连串曲线，全息投影仪上模拟出水箱中的画面，打印机中打印出电脑中的曲线。
    许久之后，纪教授将机器关闭，卓越遗憾的收回目光。
    之后几天时间，在实验室中，他们又实验了其余所有的流动显示。
    不仅有水流的流动显示，还有气流的流动显示。
    纪教授手中拿着几十张布满曲线和粒子图像的纸道：“我们来计算一番实验结果吧！”
    纪教授实验室的办公室中！
    三人围着一张桌子坐下，所有的实验报告摊放在桌子上。
    纪教授道：“根据雷诺实验，我知道上下临界流速，上临界流速是层流变湍流，下临界流速是湍流变层流。”
    “所以，我们可以研究出湍流的规律、统计和湍流脉动的谱。”
    “根据我这么多年的研究发现，湍流的速度场是时间、空间坐标和实验次数的不规则函数……”
    “……”
    【当ξ=0时，=∫Sᵤᵤ(k)exp(ik.ξ)dk₁dk₂dk₃.】
    “波谱Sᵤᵤ(k)表示脉动动能在波数段(k，k+dk)中的分布。”
    纪教授扔下手中笔道：“这就是我这么多年的研究，你们看看接下来应该怎么走？”
    卓越道：“纪教授，根据这几天的实验，我想到一种方法，您看看怎么样。”
    “你说！”
    纪教授身子坐直一些，露出严肃的表情。
    他听杨教授说卓越推导出N-S方程，一开始他还不信，直到卓越在他面前亲自推导出N-S方程，他才信。
    此时，他不会把卓越当普通学生，而是同辈的人。
    卓越道：“如果我们根据一定的准则检测湍流信号，当湍流信号满足条件准则时，开始记录一组或几组信号，然后对记录的数据进行统计分析。”
    “例如这样！”卓越找出其中一份数据，“你们看这份数据，湍流边界层外层，速度脉动并非始终有很高的强度，而是间歇性地出现高强度脉动。”
    “像这种情况，最简单的方式是采样时使用湍流间歇因子的的测量。”
    纪教授问道：“我们是要用别的方式实验？”
    “不用！”卓越道：“其实这种测量方式我这几天已经做了。”
    “你做了？”纪教授疑惑的道：“你什么时候做的？”
    他这几天都和卓越在一起，一直都在看着他做实验，他没发现卓越做了他说的实验。
    “其实就是迹线和染色体实验，只是我把其中特殊的数据收集起来，所以就成了间歇性因子的测量。”
    “奥，原来是这样，将间歇性因子测量找出来，然后呢？”
    “然后我们可以根据这些数据，得出示性函数，求出间歇因子，最后就可得到湍流状态平均值和非湍流状态的平均值。”
    “你是说湍流状态和非湍流状态的示性函数？”
    “对！”卓越点头。
    “你把数据给我看看。”
    “好的！”卓越从数据中找到几份数据，指着它们上面的某个数据道：“您看，就是这些数据。”
    纪教授看了片刻后道：“我写出来，你看看对不对。”
    示性函数他也经常用到，只是用到的数据和卓越说的不同。
    但他知道公式，所以卓越说的数据他可以很快写出来。
    “好的！”
    纪教授拿起笔写。
    【l=1，|u"/U∞|>uₜₕ/U∞=0.01……】
    纪教授问道：“是这样吗？”
    卓越看了下，脑海中默默计算，之后道：“是的！”
    纪教授道：“如果是以这个为示性函数，那么间歇性因子就是这样。”
    【r=N∑i=1I/N】
    卓越道：“对！”
    纪教授继续道：“那么湍流状态平均值和非湍流状态平均值就是这样！”
    【ₜ=lim(N→∞)N∑(i=1)……】
    纪教授问道：“之后怎么办？”
    杨教授道：“之后就用到N-S方程解了。”
    卓越道：“对！”
    纪教授皱眉道：“我这几天也在研究N-S方程，但是怎么也无法推导出湍流的公式，这是为什么，不是说N-S方程是最有效推导出湍流方程的方程吗？”
    卓越笑道：“其实想要用N-S方程推导出湍流，要从最基础的物理公式开始！”
    “什么公式？”
    “牛顿第二定律！”
    “什么？”纪教授失声道：“竟然是从这个公式开始？不会吧！”
    牛顿第二定律是初学物理都会接触到的公式，但就是这么最基础，最简单的公式，竟然是解开湍流的钥匙。
    “是的！”卓越点头道：“我推导出来给您看，您看过之后就知道了。”
    “我推导出给您看看就知道了。”
    “取一质量为m的极小的运动流体单元为研究对象，对其运用牛顿第二定律。”
    【F=ma……】
    “最后我们可以获得以上这两个张量形式。”
    两位教授看着卓越写的满满三张纸的计算，有些迷糊。
    这孩子的脑袋怎么长的，这么复杂的公式竟然在这么短的时间计算出来，关键很多计算他是张口就来，都不用笔另外计算的。
    纪教授和杨教授道：“等等，我要计算一下。”
    一个多小时后，两人教授呼了一口气，心道：“终于计算完了。”
    纪教授揉了揉酸痛的肩膀和脖子，道：“人老了，不服老不行啊，咱们两人一起计算竟然花了这么久，卓越十几分钟就计算好了。”
    “纪教授，您千万别这么说，您一点都不老。”卓越笑道：“您还在壮年呢！”
    “哈哈，壮年！”纪教授大笑，知道卓越说的是奉承话，别人说他不喜欢，但卓越说他就是喜欢。
    纪教授和杨教授看着他们还有卓越写的将近十张纸的计算。
    纪教授喃喃的道：“这里面应用到了斯特尔哈尔数，求得非定常项与惯性项之比。”
    “费劳德数求得惯性力和重力之比……”
    一边说他一边惊叹，杨教授心中也是如此。
    这么庞大的计算量卓越是怎么想出来的，这不是人的脑子啊！
    从这就可看出，他当时推导出N-S方程所需要的脑力不是普通人能做到的。
    难怪说数学和物理是天才的世界，智商稍微差点的在这两个领域想要进入顶尖，连门都看不到。
    杨教授问道：“底下呢？”
    卓越摇头道：“底下应该是从雷诺数和转捩入手，但我不知道怎么写。”
    他突然振奋的道：“只要解开这个，就能求出湍流的公式，百年来无数科学家都无法破解的湍流的神秘面纱就被揭开了。”
    “哎……”杨教授两人心中长叹一声。
    这是最重要的一步啊，但就是这临门一脚，却挡住了他们。
    他们的心中就好似被猫抓一样，但是没办法，前方前进不了了。
    既然之后无法计算了，卓越就无法从纪教授这寻找到答案了，所以他们在当天就告辞离开。