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研究人员揭示了主动湍流的普遍性质

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湍流是混乱的,但具有普遍的统计特性。近年来,似乎在活性流体中发现了湍流,例如细菌悬浮液,上皮细胞单层以及生物聚合物和分子马达的混合物。在《自然物理学》上发表的一项新研究中,来自巴塞罗那大学,普林斯顿大学和法兰西学院的研究人员表明,活性向列液中的混沌流动由不同的通用尺度定律描述。

湍流在自然界无处不在,从恒星中的等离子体流到飞机上引起的空气流,到地球上的大规模大气和海洋流。湍流是混乱的,产生涡流,涡流不断出现并分解成较小的涡流。但是,从统计意义上考虑这种复杂的混沌行为时,湍流遵循普遍的定标定律。这意味着湍流的统计特性是独立于两种情况,即该方式湍流生成,和特定的性质流体,我们看一下,如它的粘度和密度。

在《自然物理学》杂志上发表的研究中,研究人员重新探讨了在活性流体中的普遍性这一概念。在主动湍流中,流动和涡流不是由某些外部因素的作用(例如大气中的温度梯度)产生的,而是由活性流体本身产生的。这些流体的活性性质取决于它们内部产生力的能力,例如由于细菌游动或分子马达对生物聚合物的作用。

普林斯顿大学博士后研究员里卡尔德·阿勒特(Ricard Alert)解释说:“当这些作用力足够强大时,在活动过程注入的能量的作用下,流体开始自发流动。” 当活跃的力量强大时,这些自发的流动变成了自生涡流的混乱混合,我们称之为主动湍流。

作者专注于一种特定类型的活性流体:二维活性向列型液晶,它描述了实验系统,例如细胞单层,生物聚合物和分子马达的悬浮液。大规模模拟显示,活动流组织成具有特征尺寸的涡流的无序模式(图1,左)。然后,研究人员以比涡流特征尺寸大得多的比例研究了水流(图1,右)。他们发现,这些大规模流量的统计特性遵循明显的缩放定律。

巴塞罗那大学复杂系统研究所(UBICS)的Jaume Casademunt教授指出:“我们证明了这种定标律是通用的,与活性流体的特定特性无关。” 该比例定律与Andrei Kolmogorov 1941年针对经典湍流的比例定律在活性向列流体中是等效的,但因无惯性粘性流和内部,自组织的活性流体强迫相结合而具有不同的指数。

这项研究的另一个引人注目的结果是,在给定比例下,由主动力注入的所有能量都被相同比例下的粘滞效应消散了。因此,与经典湍流形成鲜明对比的是,没有能量可以转移到其他尺度。“在模拟和分析上,研究人员都证明了最小的主动向列流体会以某种方式自组织,从而使主动能量注入能够精确平衡各个尺度下的能量耗散,”来自法国Collège的Jean-FrançoisJoanny总结道。

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