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▲湍流（上图）与层流（下图）比较 图片来自：Jakob Kuhnen
通常认为, 一旦液体的流动变为湍流, 湍流就会持续存在。现在，奥地利科学和技术研究所的研究小组已经通过实验证明，管道中的湍流并不稳定，可以转变为层流 (稳流) 。该研究论文1月8日发表在 《自然·物理学》上。
液体流动中的湍流会导致摩擦阻力剧增。在工业上，利用泵将液体送过管道所耗的电能约等于全球用电量的10%。以往的研究重点集中在如何减弱湍流上。而约恩·霍夫和他的团队采取了一个全新的角度，他们致力于改变现有的湍流, 使水流自动形成层流。这项新技术消除了湍流，使液流保持层流状态通过管道，可节省约95%的能耗。
所谓层流就是流体在平行层中流动，不相混合。而湍流的特点是流体内存在旋涡，且液流的压力和速度混乱多变。人们一直以为，管道中的湍流是稳定的。霍夫的团队证明这一假设是错误的, 湍流可以转化为层流，且能一直保持层流状态，除非受到干扰。
秘密在于流体中的速度分布。在管道中，中心水流速度最快，贴近管壁的水流要慢很多。如果减小流速差异，使液流速度分布更加平缓，湍流涡旋无法产生，管道中就能逐渐形成平滑的层流运动，并保持下去。
他们的方法是在液流中放置转子来改变流速。其他方法还有，从管壁注入液体，或者让管道的一段快速移动，从而达到平缓流速分布，以便形成层流运动。
研究小组已为这项成果登记了两项专利。然而，将实验概念转化为实际应用，以改善全球的石油输送或水源输送，尚需更多努力。然而，计算机模拟显示，平缓的速度分布最后总能成功地消除湍流，这对未来发展是非常有帮助的。
科界原创
编译：馥莉 审稿：西莫 编辑：张梦
原文链接：https://phys.org
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