自1996年以来,杜克大学工程学教授Adrian Bejan展示了许多自然现象,在实践中验证了他的建构理论。
简而言之,该理论指出,所有流动系统,无论是有生命的还是无生命的,都以这样一种方式进化,以便为流动提供更多的途径。这种流动通常采用连接到许多较小血管的几个大管道的形状,无论是树木的根系,河流三角洲的污水分支,还是将氧气带入肺部的支气管。
他甚至展示了它的表现在外星物体的等级性质,整个社会的财富分配以及世界动物王国的进化中。
但在过去的几年里,有两篇论文引起了贝詹的注意,至少在表面上似乎与该理论相矛盾,并让他感到好奇。
加州理工学院的一位调查了Bejan经常在车道外目睹的一种现象。当水沿着可以侵蚀掉的倾斜表面流下时,它不会形成一个单一的、均匀的通道;它创造了一系列层叠的水池,似乎阻碍了它的流动,而不是帮助它。
在另一篇论文中,剑桥大学的研究人员调查了液压跳跃的性质,任何有平水槽的人都亲眼见过。当一股水流碰到一个相对大而平坦的表面时,它会以光滑的圆盘形式扩散开来,然后突然让位于更厚、更湍流的径流。虽然科学家们长期以来一直认为这是由重力的影响引起的,但剑桥团队表明,它完全是由表面张力和粘性力平衡液膜中的动量产生的。
这两篇论文让贝詹考虑了第三个潜在的矛盾——一张薄薄的水沿着倾斜的坚硬表面流下。任何观看雨水流过车道或人行道的人都可以看到,水形成了一系列横跨水流方向的山脊。这些线是湍流、滚动的水波的厚厚堆积,似乎阻碍了流动。
考虑到这三个看似矛盾的现象,Bejan通过探索一系列简单的物理模型来测试构造定律。正如ASME开放工程杂志发表的结果所显示的那样,尽管看起来相反,但正如构造定律所预测的那样,这些现象改善了流动。
“这些论文探讨了我经常在家里看到的现象,这让我质疑这个理论,”杜克大学J.A. Jones机械工程杰出教授Bejan说。“但当我坐下来浏览方程式时,我意识到这些影响是他们自己的动物。
解决所有三个系统中的明显矛盾基本上归结为一个事实;水在湍流自由落体中以更大的动量流动,而不是在表面上平稳流动。
对于基于水槽的液压跳跃,Bejan发现,虽然水在光滑的圆盘中扩散似乎更有效,但更厚的湍流层实际上增加了流体层上的动量流动。液压跳跃是向湍流过渡的视觉显示,根据Bejan的说法,这种湍流是可预测的,不再是谜。
然后,Bejan通过援引构造定律来预测湍流的特征列表。
在坚硬的倾斜表面的情况下,Bejan绘制了一张图表并探索了作用力,包括水流动时与水的摩擦力。他发现滚浪是自己创造的“悬崖”,允许水在短距离内翻滚和自由落下,从而增加水的动量,从而增加其整体流速。
类似的行动方法负责一系列级联池,因为水落在大坝上比从斜坡上滑下来时更有效。如果水在可侵蚀的表面上流动,它将产生一系列水坝倒塌。同样的想法可以在抽水蓄能水电系统的设计中看到,其中水被储存在一个大型水库中,然后释放通过涡轮机,然后到达较低海拔的第二个水库。在这些系统中,水垂直流动而不是倾斜,因为它产生更大的流速。
“最好的物理学可以用简单的物理学来证明,”Bejan说。“乍一看,这些系统似乎阻碍了系统的流动。但重要的不是速度,而是动量传递。这些例子表明,研究人员质疑观察和共识是多么重要。