美国物理学会（APS）流体动力学会议2016年流体运动画廊获奖作品选登

雷切尔·加尔+高鹏

每年，美国物理学会流体动力学分会都会在其年度会议上举办流体运动画廊，其目的是突显流体力学的艺术性和科学性。在2016年，共有数十幅作品被提交至画廊。在这些作品中，有一部分获得了米尔顿·范·戴克奖。这一奖项是以美国斯坦福大学的米尔顿·范·戴克的名字命名的，他是《流体力学年评》的创始人，1982年出版的《流体运动专辑》的编辑和出版人。

V0055号作品：

进餐、捕食、游泳：由海星幼体创造出的动态涡流阵列

作者单位/美国斯坦福大学

在长出那长长的、卷曲的触腕之前，海星的幼体是十分细小的，通过覆盖在其身体表面的像头发一样微小而又细长的纤毛在海洋中畅游。为了更多地了解这些新生海星在开阔水域中是如何进行机动和觅食的，来自美国斯坦福大学的研究人员在显微镜的载玻片下捕捉到了单个海星幼体，并拍摄了因其纤毛运动而产生的流型。为了更好地观察该流型的细节，研究团队在其周围的流

体中添加了微小的塑料颗粒，从而在延时拍摄中揭示出了这些小漩涡。进一步观察发现，纤毛相对拍打的区域（被称为逆转区域）会生成小漩涡，此举有助于从更远的地方吸入更大量的藻类。虽然这种运动有助于提高摄食效率，但是大量的漩涡也导致它们在海水中的速度变慢了。研究团队还观察到，海星幼体可以通过令其纤毛运动“换档”的方式来提高游泳速度，以逃避逼近的捕食者。

V0076号作品：

放置在横向气流中的射流振荡器发出的扫荡射流

C. 奥利弗·帕斯彻瑞特

作者单位/德国柏林工业大学、赫尔曼·费丁格尔研究所

在粒子成像技术的帮助下，来自柏林的研究人员捕获了空间振荡射流的一系列3D流动特征。由一台射流振荡器产生的扫荡射流，被发射到一个由风洞产生的强横流中。当粒子成像测速系统相对于横向流做横向移动时，能够在所有三个维度上，对拍摄的扫荡射流的连续镜头进行组合，从而揭示出源自扫荡射流的粒子的纹路、体积和速度等关键信息。将速度放慢到原来的1/250后，该研究团队观察到两个交替的顺流向涡流使得涡流之间的气流向下偏转。这一過程被称为“气流下洗”，可能是在流体流动的分离控制中扫荡射流得到了有效利用的原因。

V0095号作品：

让人赏心悦目的油漆变干过程

作者单位/美国犹他州立大学、美国水下海军作战中心、杨百翰大学

以“浇注画”闻名于世的艺术家霍尔顿·罗尔将一桶桶五颜六色的油漆倒在一个高高的方木块上，并等待油漆流汇集到下面的画布上。来自美国犹他州立大学飞溅实验室的研究人员与来自美国海军水下作战中心以及杨百翰大学的同事，拍摄了罗尔创作浇注画的过程，并发现了隐藏在这些艺术作品背后的微妙的流体动力学。当油漆被倒在方木块的顶部时，慢慢地扩散到方木块的

边缘，并形成了从方木块的边缘流下的流动通道。由于木块的高度不同，下面画布上汇集的油漆的图案样式也不尽相同。黏性屈曲和紊流，导致作品中出现锯齿状和不连续的图案。研究者将罗尔绘画中的超现实模式与油漆流动的动力学联系在了一起。

V0038号作品：

液态金属在黏性流体中的下落和破碎

作者单位/法国国家科学研究中心、埃克斯·马赛大学和马赛中央理工大学、美国明尼苏达州罗彻斯特大学

地球在形成初期可能遭受过一些重大的撞击。与我们今天熟知的地球不同，地球最初并没有坚硬的外壳保护其核心，而是处于一个炽热的岩浆海洋中。有研究者推测，地球和其他类地行星之间的碰撞使地球的“液态碎片”四处泼洒，并在此过程中进行放射性元素交换。来自法国国家科学研究中心的研究人员成立了一个实验室，用装满水和甘油的混合物的水槽以及一个充满液态金属镓的气球来模拟这些撞击形成的流动。充满液态金属镓的气球悬浮在水和甘油的混合物构成的黏性流体中，然后研究者小心翼翼地将气球刺破以观察液态金属镓在穿过混合物时形成的碎片的数量。他们将影像记录的速度减慢到1/10，发现金属镓液滴形成的移动云团有着复杂的流体动力学特征。周围环境的流体黏度越大，其下降速度也越快，液态金属镓的碎裂越少。液态金属镓的黏度越大，则下降速度越慢，在其分裂期间产生的金属液滴便越大、越稳定。

V0046号作品：

枫树种子落下时的飞行过程

作者单位/韩国首尔国立大学

枫树的每一粒种子都配备一个小翅膀，从而使其从树梢落下时是呈螺旋下降的。它们被风挟带，最终散落在广袤的土地上。来自韩国首尔国立大学的一组研究人员研究了这些枫树种子落下的过程，以更好地理解每粒种子的“自动旋转”机制。研究小组使用了3D扫描仪来计算种子的质量中心，然后模拟下降中的种子在无风条件下和有风条件下的旋转速度和散布。在无风的天气，种子开始了没有自转的下落，随后进入一种稳定的、圆形的旋转，此举大幅降低了其下降速度。此时，种子的小翅膀在空气中划过而产生的阻力拖拽，造就了一种优雅的流型。在有风的条件下，枫树种子下降时的速度和旋转也表现出类似的特征，但是由于其下降速度较低，所以种子沿风吹的方向被携带得更远。

V0092号作品：

在泡沫破裂之前

作者单位/英国伦敦帝国学院、英国壳牌石油公司解决中心

虽然泡沫在日常生活中无处不在，但是科学家至今仍然不能完全解读在其破裂的瞬间到底发生了什么事情。来自英国伦敦帝国学院和英国壳牌石油公司解决中心的研究人员，观察了洗洁精产生的泡沫在破裂前1分钟内的状态。视频记录下凹泡膜的彩色和黑暗部分及皂膜在重力驱动下的流动，小的、隐蔽的点在较暗、较薄的皂膜上随时间而汇集。如此就创造出一个对流的环境，变厚的皂膜逐渐聚集到一起，直到泡沫最终破裂。当从正上方直接观察凸泡时，一个小的白点在

以一种非均一的流型形成，其皂膜变厚的过程与凹泡膜不一样，白点会继续向外扩展，直到最终爆裂。近距离观察时，这些薄薄的肥皂泡展现出了令人不可思议的流体行为方式。

P0020号作品：

在传统实验模型中，研究人员是将波浪状的涡流对发送到平壁上以研究这些结构的特定流动特征和湍流。来自美国康奈尔大学的一个研究小组决定改变一下周围环境的设置，对直接涡流碰到一个波形壁的情况进行了实验。研究团队在水箱中使用两个由计算机控制的带有长长襟翼的样品，制造出一对反向旋转的涡流对；该涡流对一路向下，向着由丙烯酸铸成的小丘进发（这些小丘排列在那里，看起来就像是由一个个小丘构成的连续的平台）。在这个过程中，研究人员使用

荧光素染料和激光将其照亮，利用高清晰度成像捕获到了第一次相互作用以及随后发生的现象。

P0028号作品：

高普朗特数的湍流的水平对流

作者单位/美国北卡罗来纳大学教堂山分校

当淡水和盐水相遇时，两种液体会以水平对流的方式混合到一起。为了更好地理解在具有很高运动黏度的水中水平对流的流动特性和能量学，来自美国北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员在实验室环境中模拟了这种混合。研究团队用罗丹明给盐水染色，用荧光黄给淡水染色，以此对水的类型进行区分。染料清晰地显示出了淡水层向着盐水层的层流运动，在实验开始不久，淡水就以一种湍流的乱流形式向着水槽的底部沉了下去。荧光黄羽流的最终上涌表明，稳定的对流水流正在将这两种液体混合在一起。为了更好地识别出水槽中混合液體部分均匀的区域，研究团队使用了被称为双发射激光诱导荧光（DELIF）的技术。

P0030号作品：

大气流跨度的渐进式蒙特卡罗渲染

在强大的统计计算机建模技术的帮助下，来自瑞士苏黎世联邦理工学院、德国柏林楚泽研究所和马格德堡大学的研究人员，绘制出了一幅非常详细的、跨度极为广阔的地球大气流型模拟图。使用来自欧洲中期天气预报中心的气候数据，该团队绘制了一幅10000千米尺度（即全球尺度）的图形，该图形描绘了飓风、大尺度流型和其他一些湍流活动的空间湍流结构。许多气象现象，如雷暴的发展和地形对气流的影响发生在较小的尺度上。这些高分辨率的图像揭示了被较大的天气预测模型隐藏的尺度较小的气流的结构差异和模式。通过使用蒙特卡罗渲染，图形还显示出了在较长时间尺度（以天为单位）上才会发生的长期流动状态。

P0009号作品：

液体喷射雾化的计算模拟

气泡雾化常见于发胶瓶和喷雾器上的雾化器，有助于将液体打散成更精细的喷雾。为了能够理解液体雾化的复杂性，来自美国佐治亚理工学院、美国加州大学欧文分校和美国得克萨斯州理工大学的研究人员联手对被高密度同轴气流包围的液体射流的分裂进行了数值模拟，观察到了液体崩解的三种不同类型。较高的气体密度意味着被描述为“液体桥”的有序波瓣状结构的形成，它们通过桥状结构和对称孔连接液体射流的均匀褶皱。当液体射流的湍流强度较高时（雷诺数和韦伯数更高时），在对称孔和液体桥形成之后形成纽带状结构，然后形成小液滴。在湍流强度较小和气体密度较低时就不会形成孔或液体桥，而是在射流内产生不规则的皱纹和褶皱，形成更多的纽带状结构。

P0012号作品：

层积云的大涡模拟

你有没有想象过，用一把刀把云分解为水平层和垂直层？这似乎是一件异想天开的事，但美国航空航天局喷气推进实验室的研究人员用数值模尔·钟（澳大利亚墨尔本大学）拟了这一过程，以此描述不同层积云的形成以及相互之间的运动过程。向上移动到云层中间的，大多是由浮力驱动的对流，显示出其自身的蜂窝状结构。在接近大气边界层的最高水平层，“绘”满了花椰菜状的云顶。这个边界对最高层的湍流对流起着一个封盖的作用，通常来说，这是入射的太阳辐射被反射或吸收的区域，是估算地球能量交换的关键。