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《學霸系科學家系統》第四十三章 湍流實驗
  下午,卓越跟隨紀教授去他的實驗室。

  這是一個很大的實驗基地,在門口通過保安的檢查後,他們的車開進去。

  紀教授道:“這裡不僅有空氣動力實驗室,還有運動學實驗室、材料學實驗室、結構力學實驗室、航空發動機實驗室和航空電子系統實驗室等!”

  卓越透過車窗向外面看去,實驗室基地就像一個科技園一樣,佔地面積有五千多畝,有一個很大的人工湖,人工湖旁邊有一個好似飛機一樣的建築,在四周有序的落著一個個方形好似廠房一般的建築。

  車子在停車場停下,他們步行到一所建築前,通過紀教授的指紋驗證後進入實驗室。

  裡面有許多來來往往穿著白大褂的人,看到紀教授停下來問好,然後又好奇的看一眼卓越和楊教授,之後匆匆離開,所有人好像都很忙的樣子,走路步伐快速。

  彎彎繞繞後進入一間面積有一百多平的房間裡。

  看到裡面的設備卓越眼中驚喜。

  只見房子的靠牆的位置有一個十幾立方米的水箱,水箱的上方有一個進水口,下方連接下水道出水口。

  在水箱的上方和正前方各有一個激光片。

  在水箱的左邊有一個十幾平的空地,空地的牆壁上是一個直徑一米的圓洞,圓洞裡有一個大風扇,在大風扇的對面還有一個大風扇,在風扇的上方和左面各有一個激光片。

  在它們的正前方,距離水箱有兩米的距離,也就是房間的中間,有一排機器,中間是三台電腦,斜臥放著,在電腦的右邊有一個全息投影儀,在電腦的左邊有一台打印機。

  在這排機器與水箱之間還有兩個正正方方,頭顱大小的同步器,放置在地上。

  卓越走到那排機器前,驚喜的看著這些機器,女人喜歡包、口紅和高跟鞋,男人喜歡汽車和手表。

  而卓越對科研機器卻是獨有情鍾!

  許久後卓越轉頭看向一旁的紀教授,指著全息投影儀道:“紀教授,這可以做三維技術實驗嗎?”

  “當然可以。”紀教授笑道:“現代科技的進步,讓我們拋棄了原始的實驗方式,三維技術可讓我們直觀的看到實驗的全息全景效果圖。”

  “同時,因為三維技術的出現,讓我們多出來許多種實驗技術,在湍流上的實驗技術就是高時空分辨率三維速度場測量技術。”

  看著躍躍欲試的卓越,紀教授笑道:“要不要試試?”

  卓越激動的問道:“可以嗎?”

  在湍流上他以前做過最好的實驗就是可壓縮湍流的測量,一種比較老舊的技術,是用光學分析法,以楊氏干涉條得到的粒子平均位移,進而得到速度場。

  這種技術還是上世紀八十年代出現的,在很多地方幾乎淘汰了這種技術。

  “當然可以,你可以親自來操作。”紀教授踏前一步,走到卓越的身邊,道:“我來給你講解一下操作步驟。”

  許久後,卓越熟悉了機器上的按鈕和操作步驟。

  “記住了嗎?記住的話你來試試。”

  卓越壓下忐忑而激動的心情,道:“記住了。”

  “那就開始吧!”

  卓越呼出一口氣,按動啟動按鈕。

  瞬間,嗡的一聲,電腦啟動,同步器運轉,全息投影儀響起,激光片亮起。

  之後他按動放水,瞬間,水箱的上面落下一條旋轉的水柱,他轉頭看去,全息投影儀上出現一個1:10模擬,

由激光形成的水柱。  紀教授道:“現在開始選擇流動顯示!”

  卓越首先選擇流線!

  流動顯示有三種,分別是流線、跡線和染色體,三種顯示的效果各有不同。

  很快,電腦屏幕上出現一段曲線,這是水流流動時所有部分的速度方向的曲線。

  楊教授走過來,三人一起看向電腦屏幕。

  紀教授道:“轉為跡線!”

  按動跡線按鈕,鼠標隨機點擊水流中的某個水流點,屏幕上出現波幅不同的曲線。

  這是他所選的水流點的速度方向不同時間段所形成的曲線。

  “最後是染色體!”

  染色體也叫做脈線,脈線是水流中固定的某個點,流經這個點的流體微團組成的一條染色體。

  “好了,關掉吧!”

  卓越按動關閉按鈕,所有機器全部停止運行,水箱中的水從出水口流出去。

  紀教授看向卓越笑著問道:“感覺怎麽樣?”

  卓越笑道:“比學校裡的機器實驗好太多了。”

  “哈哈……學校裡的設備都是老舊的,所以給你們學生隨便擺弄,但我這裡的設備都是最新的,那幫歐洲人不缺錢,我就讓他們給我弄來這一套裝備。”

  “雖然不是最頂尖的,但也是非常優質的。”

  “想不想試試更多的流動顯示?”

  卓越眼睛一亮,問道:“還有別的流動顯示?”

  “當然,我這裡不僅有染色體,還有氫氣泡、懸浮粒子、自由表面和片光。”

  “這才僅僅只是水流的,我還有低速氣流流動顯示。”

  “分別有煙線、絲線和熒光微絲。”

  聽的卓越心中激動,這些實驗方法大部分他只在PPT上看過,有些他連PPT上都沒看過,只聽說過。

  楊教授瞥了一眼紀教授,不就有個實驗室嗎,又好運到這所實驗室背後是個土財主,看把他的意的。

  紀教授笑著問道:“你想實驗哪種?”

  “懸浮粒子流動顯示!”

  懸浮粒子流動顯示,是最先進的實驗方式,聽說做出來的實驗很漂亮,噴出來的水流就好似由無數螢火蟲組成的一般。

  “我們去隔壁房間!”

  隔壁房間的設備與先前的房間設備差不多,只是沒有風扇,只有一個水箱。

  水箱的水不是從上面流下來的,在水箱的右邊有一個直徑十厘米左右的鐵管。

  房間裡很黑,只有電腦的旁邊有三盞燈,燈光還隻對著電腦附近,水箱中很是黑暗。

  紀教授道:“這裡我來,你在旁邊看著。”

  “嗯!”卓越點頭。

  紀教授一邊操作一邊講解。

  “懸浮粒子流動顯示是用一些可視的固體微粒或油滴混到水流中,從固體微粒或油滴的運動狀態來了解水流的流動結構。”

  “一般可用的材料有聚苯乙烯微粒、鋁粉、蠟和松脂的混合物製成的銀白色小球和油滴。”

  說著他啟動機器,指著一個按鈕道:“銀白色小球早就混合好的,這個按鈕是將這些銀白色小球放到水中。”

  他按動按鈕後,只聽到無數噠噠聲連續而密集的響起,就好似無數小鐵球在鐵管中滾動。

  十幾秒後,聲音才漸漸消失!

  “這個按鈕是發射!”

  他按動發射按鈕後,瞬間,一道淡青色水流快速噴射出來,好似一道火焰,出現一副絢麗的畫面。

  卓越眼神迷離的看著這一幕。

  科研並不是像外人想象的枯燥無味,它有它的美麗,只是一般人看不到,也想象不到。

  只有科研人員在實驗的時候才能享受到。

  電腦屏幕上顯示著一連串曲線,全息投影儀上模擬出水箱中的畫面,打印機中打印出電腦中的曲線。

  許久之後,紀教授將機器關閉,卓越遺憾的收回目光。

  之後幾天時間,在實驗室中,他們又實驗了其余所有的流動顯示。

  不僅有水流的流動顯示,還有氣流的流動顯示。

  紀教授手中拿著幾十張布滿曲線和粒子圖像的紙道:“我們來計算一番實驗結果吧!”

  紀教授實驗室的辦公室中!

  三人圍著一張桌子坐下,所有的實驗報告攤放在桌子上。

  紀教授道:“根據雷諾實驗,我知道上下臨界流速,上臨界流速是層流變湍流,下臨界流速是湍流變層流。”

  “所以,我們可以研究出湍流的規律、統計和湍流脈動的譜。”

  “根據我這麽多年的研究發現,湍流的速度場是時間、空間坐標和實驗次數的不規則函數……”

  “……”

  【當ξ=0時,=∫S??(k)exp(ik.ξ)dk ?dk ?dk ?.】

  “波譜S??(k)表示脈動動能在波數段(k,k+dk)中的分布。”

  紀教授扔下手中筆道:“這就是我這麽多年的研究,你們看看接下來應該怎麽走?”

  卓越道:“紀教授,根據這幾天的實驗,我想到一種方法,您看看怎麽樣。”

  “你說!”

  紀教授身子坐直一些,露出嚴肅的表情。

  他可不會把卓越當作學生,哪個學生能解出N-S方程啊!

  卓越現在的影響力可比他大多了。

  卓越道:“如果我們根據一定的準則檢測湍流信號,當湍流信號滿足條件準則時,開始記錄一組或幾組信號,然後對記錄的數據進行統計分析。”

  “例如這樣!”卓越找出其中一份數據,“你們看這份數據,湍流邊界層外層,速度脈動並非始終有很高的強度,而是間歇性地出現高強度脈動。”

  “像這種情況,最簡單的方式是采樣時使用湍流間歇因子的的測量。”

  紀教授問道:“我們是要用別的方式實驗?”

  “不用!”卓越道:“其實這種測量方式我這幾天已經做了。”

  “你做了?”紀教授疑惑的道:“你什麽時候做的?”

  他這幾天都和卓越在一起,一直都在看著他做實驗,他沒發現卓越做了他說的實驗。

  “其實就是跡線和染色體實驗,只是我把其中特殊的數據收集起來,所以就成了間歇性因子的測量。”

  “奧,原來是這樣,將間歇性因子測量找出來,然後呢?”

  “然後我們可以根據這些數據,得出示性函數,求出間歇因子,最後就可得到湍流狀態平均值和非湍流狀態的平均值。”

  “你是說湍流狀態和非湍流狀態的示性函數?”

  “對!”卓越點頭。

  “你把數據給我看看。”

  “好的!”卓越從數據中找到幾份數據,指著它們上面的某個數據道:“您看,就是這些數據。”

  紀教授看了片刻後道:“我寫出來,你看看對不對。”

  示性函數他也經常用到,只是用到的數據和卓越說的不同。

  但他知道公式,所以卓越說的數據他可以很快寫出來。

  “好的!”

  紀教授拿起筆寫。

  【l=1,u'/U∞>u??/U∞=0.01(湍流狀態)

  l=0,u'/U∞

  紀教授問道:“是這樣嗎?”

  卓越看了下,腦海中默默計算,之後道:“是的!”

  紀教授道:“如果是以這個為示性函數,那麽間歇性因子就是這樣。”

  【r=N∑i=1I/N】】

  卓越道:“對!”

  紀教授繼續道:“那麽湍流狀態平均值和非湍流狀態平均值就是這樣!”

  【?=lim(N→∞)N∑(i=1)l?/N∑(i=1)I

  ?=lim(N→∞)N∑(i=1)(1-l)?/N∑(i=1)(1-I)】(?是下標t)

  紀教授問道:“之後怎麽辦?”

  楊教授道:“之後就用到N-S方程解了。”

  卓越道:“對!”

  紀教授皺眉道:“我這幾天也在研究N-S方程,但是怎麽也無法推導出湍流的公式,這是為什麽,不是說N-S方程是最有效推導出湍流公式的方程嗎?”

  卓越笑道:“其實想要用N-S方程推導出湍流,要從最基礎的物理公式開始!”

  “什麽公式?”

  “牛頓第二定律!”

  “什麽?”紀教授失聲道:“竟然是從這個公式開始?不會吧!”

  牛頓第二定律是初學物理都會接觸到的公式,但就是這麽最基礎,最簡單的公式,竟然是解開湍流的鑰匙。

  “是的!”卓越點頭道:“我推導出來給您看,您看過之後就知道了。”

  “我推導出給您看看就知道了。”

  “取一質量為m的極小的運動流體單元為研究對象,對其運用牛頓第二定律。”

  【F=ma】

  “首先,分析其x方向的分量方程。”

  【F?=ma?

  F?=[p-(p+?p/?xdx]dydz

  ……】

  “最後我們可以獲得以上這兩個張量形式。”

  兩位教授看著卓越寫的滿滿三張紙的計算,有些迷糊。

  這孩子的腦袋怎麽長的,這麽複雜的公式竟然在這麽短的時間計算出來,關鍵很多計算他是張口就來,都不用筆另外計算的。

  紀教授和楊教授道:“等等,我要計算一下。”

  一個多小時後,兩人教授呼了一口氣,心道:“終於計算完了。”

  紀教授揉了揉酸痛的肩膀和脖子,道:“人老了,不服老不行啊,咱們兩人一起計算竟然花了這麽久,卓越十幾分鍾就計算好了。”

  “紀教授,您千萬別這麽說,您一點都不老。”卓越笑道:“您還在壯年呢!”

  “哈哈,壯年!”紀教授大笑,知道卓越說的是奉承話,別人說他不喜歡,但卓越說他就是喜歡。

  紀教授和楊教授看著他們還有卓越寫的將近十張紙的計算。

  紀教授喃喃的道:“這裡面應用到了斯特爾哈爾數,求得非定常項與慣性項之比。 ”

  “費勞德數求得慣性力和重力之比。”

  “歐拉數求得壓力與慣性之比。”

  “雷諾數求得慣性力和粘性力之比。”

  “克努森數求得氣體稀薄程度的度量。”

  “馬赫數求得流場可壓縮程度的量度。”

  “普朗特數求得動量交換和熱交換之比。”

  “韋伯數求得慣性力與表面張力之比。”

  一邊說他一邊驚歎,楊教授心中也是如此。

  這麽龐大的計算量卓越是怎麽想出來的,這不是人的腦子啊!

  從這就可看出,他當時推導出N-S方程所需要的腦力不是普通人能做到的。

  難怪說數學和物理是天才的世界,智商稍微差點的在這兩個領域想要進入頂尖,連門都看不到。

  楊教授問道:“底下呢?”

  卓越搖頭道:“底下應該是從雷諾數和轉捩入手,但我不知道怎麽寫。”

  他突然振奮的道:“只要解開這個,就能求出湍流的公式,百年來無數科學家都無法破解的湍流的神秘面紗就被揭開了。”

  “哎……”楊教授兩人心中長歎一聲。

  這是最重要的一步啊,但就是這臨門一腳,卻擋住了他們。

  他們的心中就好似被貓抓一樣,但是沒辦法,前方前進不了了。

  他們看向正在沉思的卓越,眼中流露出期望。

  卓越,你一定行的,加油!

  既然之後無法計算了,卓越就無法從紀教授這尋找到答案了,所以他們在當天就告辭離開。
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