醉酒的蝴蝶飞不出花花的世界的原因找到了!

作者: Shiny&Tom

来源: 中科院物理所

发布日期: 2020-06-20 14:21:16

通过实验和流体力学理论分析,揭示了蝴蝶在花花世界中难以飞行的原因,主要与风速变化形成的卡门涡街有关。

花花世界迷人眼,在其中迷失也无可厚非。但是,做完这次实验之后,小编发现原来其中另有蹊跷。实验器材包括所标杯、电吹风机、胶带、纸。首先裁出一张细长的纸条,然后用胶带把纸条沿轴向粘在杯壁上,最后打开电吹风机,在粘贴纸条的对侧向杯子吹风,观察纸条的运动情况。可以看到纸条并不能稳定地随风扬起,而是会出现波动。这次的实验的背景是卡门涡街,这个名字来源于著名的空气动力学家冯·卡门。

卡门涡街经常出现在飞行器设计,桥梁设计等需要考虑流体力学的领域中。实验中,吹风机吹出的风经过杯子时,风速的分布情况受圆筒的影响会发生变化。而风速的变化又会通过纸巾的波动变化反映出来。在流体力学的理论中,有很多重要的无量纲数,比较有名的有雷诺数与马赫数。卡门涡街就与雷诺数有着紧密的关联。雷诺数越小,表示粘性力越大,惯性力在计算时可以忽略,流动更趋向于稳定。雷诺数不同,流体的流动行为也会不同。

有了流体力学的理论之后,我们就可以用它进行模拟,从而康康流体流速的具体分布情况。模拟流体的算法非常多,像有限差分(FDM),有限元(FEM),光滑粒子动力学(SPH),物质点法(MPM)等等。这里的模拟是用了格子玻尔兹曼方法(LBM)。从模拟的结果可以看出,雷诺数小的时候,流体形成稳定的层流,这对应着实验中风速较小的情况。此时,只有来流自身的不稳定所造成的小波动。

当雷诺数变大时,流体经过圆柱,开始变得不稳定起来,形成周期交替出现的涡,即卡门涡街。当雷诺数进一步增大时,流体的运动更加复杂,开始形成湍流。实验中风速较大的情况就对应着这两种情形,纸条的波动会非常大。分析完实验的原理,小编突然间明白了,为什么说蝴蝶“怎么也飞不出,花花的世界”。

我们知道,花的根茎一般是圆柱状的,当一阵风吹过这些花的根茎时,从我们前面的分析可以知道,风速会发生非常复杂的变化,有可能会形成卡门涡街。再加上蝴蝶喝了点假酒,酒后飞行,就更难从乱风中飞出来了。

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