李家春

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。

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規则运动了。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。

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。……