美國物理學會（APS）流體動力學會議2016年流體運動畫廊獲獎作品選登

雷切爾·加爾+高鵬

每年，美國物理學會流體動力學分會都會在其年度會議上舉辦流體運動畫廊，其目的是突顯流體力學的藝術性和科學性。在2016年，共有數(shù)十幅作品被提交至畫廊。在這些作品中，有一部分獲得了米爾頓·范·戴克獎。這一獎項是以美國斯坦福大學的米爾頓·范·戴克的名字命名的，他是《流體力學年評》的創(chuàng)始人，1982年出版的《流體運動專輯》的編輯和出版人。

V0055號作品：

進餐、捕食、游泳：由海星幼體創(chuàng)造出的動態(tài)渦流陣列

作者單位/美國斯坦福大學

在長出那長長的、卷曲的觸腕之前，海星的幼體是十分細小的，通過覆蓋在其身體表面的像頭發(fā)一樣微小而又細長的纖毛在海洋中暢游。為了更多地了解這些新生海星在開闊水域中是如何進行機動和覓食的，來自美國斯坦福大學的研究人員在顯微鏡的載玻片下捕捉到了單個海星幼體，并拍攝了因其纖毛運動而產生的流型。為了更好地觀察該流型的細節(jié)，研究團隊在其周圍的流

體中添加了微小的塑料顆粒，從而在延時拍攝中揭示出了這些小漩渦。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，纖毛相對拍打的區(qū)域（被稱為逆轉區(qū)域）會生成小漩渦，此舉有助于從更遠的地方吸入更大量的藻類。雖然這種運動有助于提高攝食效率，但是大量的漩渦也導致它們在海水中的速度變慢了。研究團隊還觀察到，海星幼體可以通過令其纖毛運動“換檔”的方式來提高游泳速度，以逃避逼近的捕食者。

V0076號作品：

放置在橫向氣流中的射流振蕩器發(fā)出的掃蕩射流

C. 奧利弗·帕斯徹瑞特

作者單位/德國柏林工業(yè)大學、赫爾曼·費丁格爾研究所

在粒子成像技術的幫助下，來自柏林的研究人員捕獲了空間振蕩射流的一系列3D流動特征。由一臺射流振蕩器產生的掃蕩射流，被發(fā)射到一個由風洞產生的強橫流中。當粒子成像測速系統(tǒng)相對于橫向流做橫向移動時，能夠在所有三個維度上，對拍攝的掃蕩射流的連續(xù)鏡頭進行組合，從而揭示出源自掃蕩射流的粒子的紋路、體積和速度等關鍵信息。將速度放慢到原來的1/250后，該研究團隊觀察到兩個交替的順流向渦流使得渦流之間的氣流向下偏轉。這一過程被稱為“氣流下洗”，可能是在流體流動的分離控制中掃蕩射流得到了有效利用的原因。

V0095號作品：

讓人賞心悅目的油漆變干過程

作者單位/美國猶他州立大學、美國水下海軍作戰(zhàn)中心、楊百翰大學

以“澆注畫”聞名于世的藝術家霍爾頓·羅爾將一桶桶五顏六色的油漆倒在一個高高的方木塊上，并等待油漆流匯集到下面的畫布上。來自美國猶他州立大學飛濺實驗室的研究人員與來自美國海軍水下作戰(zhàn)中心以及楊百翰大學的同事，拍攝了羅爾創(chuàng)作澆注畫的過程，并發(fā)現(xiàn)了隱藏在這些藝術作品背后的微妙的流體動力學。當油漆被倒在方木塊的頂部時，慢慢地擴散到方木塊的

邊緣，并形成了從方木塊的邊緣流下的流動通道。由于木塊的高度不同，下面畫布上匯集的油漆的圖案樣式也不盡相同。黏性屈曲和紊流，導致作品中出現(xiàn)鋸齒狀和不連續(xù)的圖案。研究者將羅爾繪畫中的超現(xiàn)實模式與油漆流動的動力學聯(lián)系在了一起。

V0038號作品：

液態(tài)金屬在黏性流體中的下落和破碎

作者單位/法國國家科學研究中心、?？怂埂ゑR賽大學和馬賽中央理工大學、美國明尼蘇達州羅徹斯特大學

地球在形成初期可能遭受過一些重大的撞擊。與我們今天熟知的地球不同，地球最初并沒有堅硬的外殼保護其核心，而是處于一個熾熱的巖漿海洋中。有研究者推測，地球和其他類地行星之間的碰撞使地球的“液態(tài)碎片”四處潑灑，并在此過程中進行放射性元素交換。來自法國國家科學研究中心的研究人員成立了一個實驗室，用裝滿水和甘油的混合物的水槽以及一個充滿液態(tài)金屬鎵的氣球來模擬這些撞擊形成的流動。充滿液態(tài)金屬鎵的氣球懸浮在水和甘油的混合物構成的黏性流體中，然后研究者小心翼翼地將氣球刺破以觀察液態(tài)金屬鎵在穿過混合物時形成的碎片的數(shù)量。他們將影像記錄的速度減慢到1/10，發(fā)現(xiàn)金屬鎵液滴形成的移動云團有著復雜的流體動力學特征。周圍環(huán)境的流體黏度越大，其下降速度也越快，液態(tài)金屬鎵的碎裂越少。液態(tài)金屬鎵的黏度越大，則下降速度越慢，在其分裂期間產生的金屬液滴便越大、越穩(wěn)定。

V0046號作品：

楓樹種子落下時的飛行過程

作者單位/韓國首爾國立大學

楓樹的每一粒種子都配備一個小翅膀，從而使其從樹梢落下時是呈螺旋下降的。它們被風挾帶，最終散落在廣袤的土地上。來自韓國首爾國立大學的一組研究人員研究了這些楓樹種子落下的過程，以更好地理解每粒種子的“自動旋轉”機制。研究小組使用了3D掃描儀來計算種子的質量中心，然后模擬下降中的種子在無風條件下和有風條件下的旋轉速度和散布。在無風的天氣，種子開始了沒有自轉的下落，隨后進入一種穩(wěn)定的、圓形的旋轉，此舉大幅降低了其下降速度。此時，種子的小翅膀在空氣中劃過而產生的阻力拖拽，造就了一種優(yōu)雅的流型。在有風的條件下，楓樹種子下降時的速度和旋轉也表現(xiàn)出類似的特征，但是由于其下降速度較低，所以種子沿風吹的方向被攜帶得更遠。

V0092號作品：

在泡沫破裂之前

作者單位/英國倫敦帝國學院、英國殼牌石油公司解決中心

雖然泡沫在日常生活中無處不在，但是科學家至今仍然不能完全解讀在其破裂的瞬間到底發(fā)生了什么事情。來自英國倫敦帝國學院和英國殼牌石油公司解決中心的研究人員，觀察了洗潔精產生的泡沫在破裂前1分鐘內的狀態(tài)。視頻記錄下凹泡膜的彩色和黑暗部分及皂膜在重力驅動下的流動，小的、隱蔽的點在較暗、較薄的皂膜上隨時間而匯集。如此就創(chuàng)造出一個對流的環(huán)境，變厚的皂膜逐漸聚集到一起，直到泡沫最終破裂。當從正上方直接觀察凸泡時，一個小的白點在

以一種非均一的流型形成，其皂膜變厚的過程與凹泡膜不一樣，白點會繼續(xù)向外擴展，直到最終爆裂。近距離觀察時，這些薄薄的肥皂泡展現(xiàn)出了令人不可思議的流體行為方式。

P0020號作品：

在傳統(tǒng)實驗模型中，研究人員是將波浪狀的渦流對發(fā)送到平壁上以研究這些結構的特定流動特征和湍流。來自美國康奈爾大學的一個研究小組決定改變一下周圍環(huán)境的設置，對直接渦流碰到一個波形壁的情況進行了實驗。研究團隊在水箱中使用兩個由計算機控制的帶有長長襟翼的樣品，制造出一對反向旋轉的渦流對；該渦流對一路向下，向著由丙烯酸鑄成的小丘進發(fā)（這些小丘排列在那里，看起來就像是由一個個小丘構成的連續(xù)的平臺）。在這個過程中，研究人員使用

熒光素染料和激光將其照亮，利用高清晰度成像捕獲到了第一次相互作用以及隨后發(fā)生的現(xiàn)象。

P0028號作品：

高普朗特數(shù)的湍流的水平對流

作者單位/美國北卡羅來納大學教堂山分校

當?shù)望}水相遇時，兩種液體會以水平對流的方式混合到一起。為了更好地理解在具有很高運動黏度的水中水平對流的流動特性和能量學，來自美國北卡羅來納大學教堂山分校的研究人員在實驗室環(huán)境中模擬了這種混合。研究團隊用羅丹明給鹽水染色，用熒光黃給淡水染色，以此對水的類型進行區(qū)分。染料清晰地顯示出了淡水層向著鹽水層的層流運動，在實驗開始不久，淡水就以一種湍流的亂流形式向著水槽的底部沉了下去。熒光黃羽流的最終上涌表明，穩(wěn)定的對流水流正在將這兩種液體混合在一起。為了更好地識別出水槽中混合液體部分均勻的區(qū)域，研究團隊使用了被稱為雙發(fā)射激光誘導熒光（DELIF）的技術。

P0030號作品：

大氣流跨度的漸進式蒙特卡羅渲染

在強大的統(tǒng)計計算機建模技術的幫助下，來自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院、德國柏林楚澤研究所和馬格德堡大學的研究人員，繪制出了一幅非常詳細的、跨度極為廣闊的地球大氣流型模擬圖。使用來自歐洲中期天氣預報中心的氣候數(shù)據(jù)，該團隊繪制了一幅10000千米尺度（即全球尺度）的圖形，該圖形描繪了颶風、大尺度流型和其他一些湍流活動的空間湍流結構。許多氣象現(xiàn)象，如雷暴的發(fā)展和地形對氣流的影響發(fā)生在較小的尺度上。這些高分辨率的圖像揭示了被較大的天氣預測模型隱藏的尺度較小的氣流的結構差異和模式。通過使用蒙特卡羅渲染，圖形還顯示出了在較長時間尺度（以天為單位）上才會發(fā)生的長期流動狀態(tài)。

P0009號作品：

液體噴射霧化的計算模擬

氣泡霧化常見于發(fā)膠瓶和噴霧器上的霧化器，有助于將液體打散成更精細的噴霧。為了能夠理解液體霧化的復雜性，來自美國佐治亞理工學院、美國加州大學歐文分校和美國得克薩斯州理工大學的研究人員聯(lián)手對被高密度同軸氣流包圍的液體射流的分裂進行了數(shù)值模擬，觀察到了液體崩解的三種不同類型。較高的氣體密度意味著被描述為“液體橋”的有序波瓣狀結構的形成，它們通過橋狀結構和對稱孔連接液體射流的均勻褶皺。當液體射流的湍流強度較高時（雷諾數(shù)和韋伯數(shù)更高時），在對稱孔和液體橋形成之后形成紐帶狀結構，然后形成小液滴。在湍流強度較小和氣體密度較低時就不會形成孔或液體橋，而是在射流內產生不規(guī)則的皺紋和褶皺，形成更多的紐帶狀結構。

P0012號作品：

層積云的大渦模擬

你有沒有想象過，用一把刀把云分解為水平層和垂直層？這似乎是一件異想天開的事，但美國航空航天局噴氣推進實驗室的研究人員用數(shù)值模爾·鐘（澳大利亞墨爾本大學）擬了這一過程，以此描述不同層積云的形成以及相互之間的運動過程。向上移動到云層中間的，大多是由浮力驅動的對流，顯示出其自身的蜂窩狀結構。在接近大氣邊界層的最高水平層，“繪”滿了花椰菜狀的云頂。這個邊界對最高層的湍流對流起著一個封蓋的作用，通常來說，這是入射的太陽輻射被反射或吸收的區(qū)域，是估算地球能量交換的關鍵。