图片来源：N. Wimer/NREL; J. H. Guan/UNC; H. Mayer/Cal Poly, San Luis Obispo
物理学家最喜欢的短视频长什么样？
撰文｜戴维·艾伦斯坦（David Ehrenstein）
翻译｜陶兆巍
审校｜王昱
美国物理学会流体力学分会宣布了2022年“流体运动画廊”（Gallery of Fluid Motion）年度视频和海报竞赛的获奖者。以下为米尔顿·凡·戴克（Milton van Dyke）奖的视频获奖者。除了视频之外，该奖也会给海报颁奖。
超算模拟柴油机
为了减少排放并提升效率，研究人员一直以来都在重新设计柴油机。这项工作依靠超级计算机来建模燃料-空气混合物形成的湍流以及发动机燃烧室里发生的数千种不同的化学反应。如果有两种不同的燃料，那情况就更复杂了。比如说新型的“反应控制压燃发动机”（RCCI），它利用了甲烷的高效率燃烧以及柴油能在较低温度下压燃的能力。科罗拉多国家可再生能源实验室的流体动力学专家尼克·魏默尔（Nick Wimer）说：“为了把多燃料建模推进到下一个阶段，我们的确需要新一代的计算工具。”
超算模拟RCCI发动机的气缸在点火前后的流体与化学反应的细节。这里甲烷-空气混合物（不可见的部分）和柴油（蓝色）都被点燃（黄色）。视频来源：N. Wimer and colleagues/NREL/Sandia National Laboratory
魏默尔和他的同事创建了两段新的代码，之后它们将跑在世界上最快的超级计算机——Frontier上面。Frontier最近已经开始在田纳西州的橡树岭国家实验室（ORNL）运行了。为了证明这些代码的威力，团队把代码放在ORNL的两个稍慢一点的超算上跑了跑，测试了一个目前工程师们感兴趣的问题：RCCI发动机的气缸在点火的最初时刻发生了什么。
在这个模拟的视频中，3厘米宽的腔中原本充满了空气-甲烷混合物。然后出现了四股柴油喷射流，这个模拟捕捉到了油气混合物形成的湍流的复杂性。很短的时间后，点火的“核心”——也即燃料开始燃烧的点——出现在了柴油和气体的接触面。代码将空间划分为超过20亿个单元进行模拟，并且达到了小于7微米的分辨率。魏默尔说，这些代码对于改进氢动力涡轮发电机或者多燃料混合的重型越野车都有帮助。
移动的法拉第波
这是一个经典的物理课堂演示：在一个喇叭上面放一个装有水的浅容器，水面将会产生波纹。这种“法拉第波”可以形成一系列通常是静止的图案，但是声音振幅很大时，这种波纹将会混乱地四处移动。北卡罗来纳大学教堂山分校的佩德罗·赛恩斯（Pedro Sáenz）和博士后研究员关简辉（Jian Hui Guan，音译）想知道是否可以通过限制波的移动空间来将混乱的运动转化为连贯的运动。研究人员把液体置于圆环状的沟道中，他们兴奋的发现这些波居然绕着圆环有序的打转。所期望的结果在试第一次的时候就出现了，“我这辈子估计就能遇到这么一次。”赛恩斯开玩笑说。
法拉利波来源于液体的震动，通常要么静止、要么混乱；可以通过改变容器形状，使其有序的移动。视频来源：J. H. Guan and colleagues/UNC, Chapel Hill/University of Glasgow
来自赛恩斯，关先生与其同事们的视频显示，这种连贯的运动会随机沿顺时针或者逆时针的方向前进，不过可以沿着沟道壁的一个方向加装“棘轮”（楼梯状结构）来控制运动方向。研究人员表明，其实还可以在更复杂的沟道网络中引导出这种稳定的表面波运动，而且有可能可以构造一个网络，将其作为动力泵，来带动另一条管道里的水流。他们将视频命名为“奔跑吧，法拉第，奔跑吧”，玩了《阿甘正传》里的一个梗——“奔跑吧，阿甘，奔跑吧”。
倒葡萄酒的“咕嘟”
葡萄酒倒出酒瓶的时候通常会发出悦耳的“咕噜咕噜”声，这是因为空气被迫穿过酒瓶狭长的开孔。2019年，加州州立理工大学圣路易斯奥比斯波分校的汉斯·梅耶（Hans Mayer）录制了一段水从倒置酒瓶中流出时的视频，向他的机械工程学生展示了其与一个简单排水槽的对比。在观看慢动作时，他发现有个上升气泡在以他见所未见的方式改变形状， “我被这个绝对美丽的现象惊呆了。”
液体从一个倒置酒瓶中排出，根据液体粘性的不同，第一个气泡会经历一系列不同的形变。视频来源：H. Mayer and colleagues/Cal Poly, San Luis Obispo
梅耶现在与他的两个本科生合作记录这种泡泡的行为。他们拿了个著名的两块钱葡萄酒“Two-Buck Chuck”的空瓶，装满水并且倒过来。通过高速摄像机的记录，小组观察到这个过程中几个可重复的阶段：空气在瓶口捏断形成一个大气泡，气泡上升，在其下底面产生了一个向上的液体“喷射流”，在解体之前气泡变成一个圆环形结构。然后他们记录了不同浓度的水-甘油混合物的情况，展示了当粘度变化时气泡和喷射流的速度与形状。梅耶说，这项工作是为了抓住学生和公众的兴趣。“我希望我们能激发人们对流体动力学之美的欣赏，特别是类似这种蕴含在日常生活中的东西。”
https://physics.aps.org/articles/v15/185