新发现颠覆了已有80年的湍流理论

几十年来，科学界普遍认为湍流中的能量传递遵循固定规律：在三维环境（如海洋和大气）中，能量总是从大尺度涡旋向小尺度涡旋逐级传递（'正向级串'）；而在二维薄层流体（如浅水膜）中则相反，能量从小尺度向大尺度聚集（'逆向级串'）。但匹兹堡大学与意大利都灵大学的研究团队首次证明，这种方向并非不可改变。项目负责人、匹大土木与环境工程系副教授方磊及其团队另辟蹊径，将湍流能量输运重新建模为一种基于纳维-斯托克斯方程的力学过程，并引入张量几何概念——把应力、形变等物理量用数学张量描述，再通过调控力与位移之间的相对取向（即张量对齐方式），成功实现了能量流向的人工调控。实验证明：在电磁驱动的二维水层中，通过布置特定方向的扰动杆并追踪示踪粒子，可稳定产生正向或逆向湍流能量流，结果与数值模拟高度一致。该发现具有广泛实用价值：在海洋工程中，仅需数米长的物理屏障即可调控千米级洋流输运边界，优化沿海污水扩散；在医学微流控芯片中，可通过精准施力诱导微弱的'低雷诺数湍流'，显著改善毫米以下通道内的混合效率；在气候建模领域，它提示风应力与海流变化可能改变全球能量分配路径，未来若纳入此类几何调控机制，有望提升气候预测精度。简言之，湍流不再是‘任性乱跑’的能量，而是在一定条件下可被引导和重塑的物理过程。