湍流的形成机理是什么？

缕缕青烟盘绕飘荡、汤匙搅动咖啡形成团团漩涡。这些现象令人静思遐想。百慕大三角区风涛波涌；大气环流造成台风奔腾呼啸，龙卷风急速打旋；美国塔科马海峡悬桥在狂风旋涡中崩塌；喷气飞机翘首而过，激起强大的颠簸气流；混浊的急流或右旋或左转，或直泻或折击，黄漂队员在这惊涛骇浪中，奋勇拼搏。这些又令人惊心动魄，思绪万千。

这些都是流体湍流运动的不同杰作。湍流是怎样形成的？它又是怎样运动的？人们在思考，在探索。

早在十九世纪，英国工程师、物理学家奥斯本·雷诺用染料注入缓慢流动的水的管道中心，染色线以直线或流线的形式通过管道。水的这种运动现象具有各种不同速度的流体层平行运动着，这种流动称为层流。当雷诺用大管道并使水加速运动，结果染料以极复杂的方式旋转、混合，变成了湍流。

人们进一步从实验中发现，浓度较大的或较粘的流体不容易变成湍流。雷诺系数（Re）反映了流体变成湍流的性质。Re数随流速和物体的尺寸的增大而增大。Re数减小表示流体粘性大，难以形成湍流。自然界中，流体的雷诺数值变化范围很大流动的水，Re数可达百万；糖浆，Re数只有0.1；地壳下的岩浆，Re数小到百万分之一，除非它在火山活动期间喷发出来，否则它是不会变成湍流的。科学家们经过反复研究，得知流体从层流变成湍流都有一个临界雷诺系数Re。例如，流体流过圆柱筒，Re约为40时，简体周围的流体开始摆动；Re约为300时，流体的摆动开始变成无规则的湍流了。

当人们要对这些湍流运动进行定量描述和预测时，却碰到了巨大的困难。

由于湍流运动瞬息万变，捉摸不定，因而有的学者认为湍流形成完全是偶然的、随机的，湍流的每一点上的速度极不规则，极度混乱。为了能准确地描述运动流体，就必须知道所有初始条件。而要作出准确的许许多多个初始条件却又是不现实的，也是毫无意义的。这情况完全类似于企图借助力学方程来研究宏观物体的所有分子的运动——这里的问题也是给出初始条件——是不可能的，也是毫无意义的。正因为如此，人们才用统计的方法来研究湍流运动的极无规则性，使湍流体在足够长的时间内，经历各种状态，初始条件的影响将彼此作用，互相抵消。如果在充分长的一段时间内来考察湍流运动，则真正的初始条件并不起任何作用。因此湍流的理论应该具有统计的性质。

另一些学者认为，紊乱中必存在基本秩序，紊乱并不完全由随机因素引起，湍流也存在基本秩序，湍流在原理上也是可以认知的。物理学家哈洛认为：湍流的基本形式是小漩涡，或是涡流。人们在搅拌咖啡时，就会产生一两个大漩涡；而在湍流中却有成千的漩涡，一个接到另一个上，任何单独的小漩涡都是与其它的漩涡有关。湍流的这些特性可用非线性方程来描述，这正是数学上的难题，因此在实际上就难处理了。我国著名科学家周培源等人就是从湍流的漩涡结构入手，找到了组成最简单的湍流运动——均匀各向同性流——湍流圆涡旋，并获得了与实践相符合的湍流衰变规律和湍流微尺度的扩散规律。

物理学家菲金鲍姆却另辟蹊径，提出另一种预测流体是怎样变成湍流的理论。这个理论包括在一个称为“倍增周期”现象之中。开始时，以一定频率摇荡容器里的液体，形成一系列的振荡波，液体能恢复到原来的状态。加快振荡频率，使液体的Re数增大，达到一定Re数时，周期的次数就会加倍。进一步加大Re数，使周期数再次加倍。在无数的加倍周期后，最终形成了湍流。菲金鲍姆还发现了预测连续周期倍增间隔的方法。

虽然人们早就注意并研究了湍流现象，提出了种种观点和理论，有些还解决了些局部的、简化了的问题，但至今还没有一个完满的、有说服力的湍流理论。湍流问题被认为是流体力学中最根本，也是最困难的问题。“山重水复疑无路，柳暗花明又一村。”湍流之谜的突破，必将会对航空、水利、气象、交通、环境、人体等科学领域产生重大影响！