流體運動的多樣性和不穩(wěn)定性長期以來都是流體力學(xué)重要的話題。由于描述方程組往往是非線性的，對相當(dāng)一部分情況，解析計算比較困難，因此通過實驗或數(shù)值模擬來直接觀察流體的行為也是重要的研究手段。下面這些圖片都選自美國物理學(xué)會流體力學(xué)分會舉辦的年度流體運動圖片展，有的是實驗結(jié)果，也有計算機模擬圖象。其意義不僅僅在于科學(xué)，更有著獨特的欣賞性。

左圖：風(fēng)洞中的振蕩流。圖片提供：C. Stern¹, S. P. R. Czitrom², and R. Godoy², (?¹Facultad de Ciencias y, ²Instituto de Ciencias del
Mar y Limnología, Universidad Nacional
Autónoma de México)?

1、水流流過球體后產(chǎn)生的旋渦：管中穩(wěn)定的水流流過直徑1厘米的球體時產(chǎn)生的周期性旋渦結(jié)構(gòu)。激光照射出的流體形態(tài)顯示，旋渦呈反向纖維狀。實驗時雷諾數(shù)的選取要將將使流體尾跡有周期性行為。本實驗根據(jù)球體直徑將雷諾數(shù)選為320，遠(yuǎn)小于湍流的臨界雷諾數(shù)2000左右，但球體后方的尾流仍相當(dāng)復(fù)雜。

圖片提供：T. Leweke, M. Provansal, D. Ormières, and R. Lebescond (IRPHE, CNRS/Universités Aix-Marseille, France)

2、共軸射流附近的剪切不穩(wěn)定性：共軸慢速圓射流和快速窄射流界面上產(chǎn)生的縱向和橫向剪切不穩(wěn)定性。下圖的實驗中兩道射流的速度比選為3，雷諾數(shù)約為20000。由橫向不穩(wěn)定性產(chǎn)生的縱向旋渦可以有效地混合射流附近的流體。如進一步加大速度比，則出現(xiàn)類似不穩(wěn)定尾流的振蕩，不再表現(xiàn)為射流行為。

圖片提供：E. Villermaux, H. Rehab, and E. J. Hopfinger (LEGI-CNRS, Institut de Mécanique de Grenoble, BP 53X, 38041 Grenoble Cedex, France)

3、低重力下的水膜球：在DC-9飛機模擬的低重力環(huán)境下觀察到的水膜氣球行為。水膜被針尖刺破后，表面向某一方向噴出飛沫，隨后剩余部分會出現(xiàn)長久的振動。

圖片提供：M. M. Weislogel¹ and S. Lichter² (NASA Lewis Research Center¹, Northwestern University²)

4、薊花冠冕：將一滴染色的水滴滴到甘油層上得到的結(jié)果。水滴先是分為外環(huán)和內(nèi)層兩部分，隨后表面張力使水層產(chǎn)生渦旋，波動又加強了張力梯度，產(chǎn)生圖中所示的葉狀外觀（各圖時間間隔約5秒）。

圖片提供：E. Tan and S. T. Thoroddsen (University of Illinois at Urbana-Champaign)

5、湍流的色彩：該實驗所采用的流體在不同溫度下會呈現(xiàn)不同的色彩，因而顏色的變化就表現(xiàn)了湍流的熱量傳輸過程，圖樣則與瞬時傳輸系數(shù)相關(guān)。圖中展現(xiàn)的是在渦輪驅(qū)動的下行水流抵達固壁時的溫度分布。

圖片提供：D. R. Sabatino and T. J. Praisner (Lehigh University)

6、射流擾動形成的空穴：連續(xù)的水流射入水池中，導(dǎo)致池中出現(xiàn)充有空氣的空穴?？刂茋娮焯幍拈y門可以增強入射水流，這導(dǎo)致了鼓包的出現(xiàn)。照片中展現(xiàn)了鼓包在張力和引力作用下隨時間演化的情況。實驗中的雷諾數(shù)約為12300。

圖片提供：Y. Zhu, H. N. Ogiz, and A. Prosperetti (The Johns Hopkins University)

7、渦旋的產(chǎn)生：渦旋可以通過抽動水流產(chǎn)生。下圖兩個渦旋分別由兩端的盤狀物旋轉(zhuǎn)生成。染色的水流可以幫助人們理解湍流中渦絲的動力學(xué)行為。

圖片提供：Philippe Petitjeans (Laboratoire de Physique et Mécanique des Milieus Hétérogènes, Ecole Supérieure de Physique te de Chimie Industrielles, Paris, France)

8、三維流體與固體的作用：使用微元法和歐拉-拉格朗日標(biāo)記進行的三維流體模擬。流體流出后在引力作用下流向三條短堤圍起的障礙物。模擬中表現(xiàn)了障礙物后方和周邊區(qū)域的水波結(jié)構(gòu)。

圖片提供：Peter E. Raad and Razvan Bidoae (Southern Methodist University, Dallas, Texas)

9、微觀流體的湍動：46微米厚的液晶層的流動。液晶夾在兩塊玻璃平板之間，兩塊玻璃板的內(nèi)表面連以電極。當(dāng)電場強度平緩增加時，液晶先是分成6束流（右上），再變?yōu)槿醯耐牧鳡顟B(tài)（左下）或是方格狀對流元（右下），下側(cè)兩圖中液晶的物理參數(shù)均處在混沌與湍流的過渡范圍內(nèi)。

圖片提供：T. Peacock and T. Mullin (University of Manchester)

10、受迫固壁射流的雙螺旋不穩(wěn)定性：對平面固壁射流（Wall Jet）傳輸過程的分析?？梢暬捎昧嗣祝∕ie）散射的方法。其中a、c兩圖為實驗結(jié)果，d為實驗裝置介紹，b、e、f、g為計算機模擬結(jié)果。

圖片提供：M. Visbal¹, D. Gaitonde¹, and S. Gogineni² (¹Air Force Research Laboratory, Wright–Patterson AFB, ²Innovative Scientific Solutions, Inc., Dayton, Ohio)

11、剪切層不穩(wěn)定波與斜激波作用產(chǎn)生的聲波：剪切層不穩(wěn)定性與激波元的作用可以使超音速流產(chǎn)生噪音。下圖是為了了解作用過程而構(gòu)造的二維模型，由斜激波和超音速剪切層組成，剪切層中有不穩(wěn)定的波動。圖中黃色表示強壓縮區(qū)域，紅色為壓縮區(qū)域，藍色為膨脹區(qū)，灰色為音速區(qū)，綠色為渦度等高線。

圖片提供：Ted A. Manning and Sanjiva K. Lele (Stanford University Department of Aeronautics and Astronautics, Stanford, California 94305-4035)

12、圓形振膜上水滴的霧化：1厘米直徑的水滴在400毫秒的時間內(nèi)被粉碎迅速。水滴表面的不穩(wěn)定性引起了表面波，波峰噴射出更小的次級水滴，瓦解了原水滴，而原水滴與振膜的耦合會影響次級水滴的演化行為。

圖片提供：Bojan Vukasinovic, Ari Glezer, and Marc K. Smith (Georgia Institute of Technology)

13、渦旋的不穩(wěn)定并合：初始條件為兩個共轉(zhuǎn)的層流渦旋。當(dāng)雷諾數(shù)增加至2000后，三維不穩(wěn)定性使渦旋瓦解。下圖上側(cè)為并合前的情況，下側(cè)為并合后，左側(cè)為側(cè)視圖，右側(cè)為附視圖。

圖片提供：P. Meunier and T. Leweke (CNRS/Universités Aix-Marseille, France)

14、負(fù)電霧化：室溫下靜電作用瓦解油滴的照片。充電由插入液體內(nèi)的電極完成。停止通電后，靜電作用導(dǎo)致了液體的霧化。

圖片提供：Dimitris E. Nikitopoulos (Louisiana State University) and Arnold J. Kelly (CIC, Inc.)

15、渦旋射流旋轉(zhuǎn)對稱性的破壞：渦旋參數(shù)S是流體繞軸向與徑向運動速度相對大小的度量。以下左圖S取0.38，右圖取0.49，可見軸向生成的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。對于有渦旋存在的射流，不穩(wěn)定性的成因與非渦旋流類似，但渦旋的存在放大了渦旋反方向的不穩(wěn)定旋渦，卻減小了渦旋方向的不穩(wěn)定，而且還增大了軸向的不穩(wěn)定形變。

圖片提供：Thomas Loiseleux and Jean-Marc Chomaz, CNRS-Ecole polytechnique

16、粒子負(fù)載流的模擬：使用粒子模擬方法再現(xiàn)含有固體粒子的球形不可壓縮流體在重力與粘滯力共同左右下的行為。圖中紅色代表流體，白色代表固體顆粒。其中上面三圖考慮了初始的渦度，下面三圖不計初始渦度。

圖片提供：J. H. Walther (ETH Zürich), S.-S. Lee (Stanford) and P. Koumoutsakos (ETH Zürich and NASA Ames)

17、流體中的奇點：下圖是甘油與水的混合液在垂直于表面且振幅接近臨界值的正弦激發(fā)作用下，從表面波最低點的消失一直到向上運動的射流形成全過程的多次曝光照片。右側(cè)的插圖則是表面波瓦解的過程。由于瑞利不穩(wěn)定性的存在，射流末端破裂成了液滴。

圖片提供：by B. W. Zeff¹, J. Fineberg^1,2, and Daniel P. Lathrop¹ (¹University of Maryland, College Park, ²Hebrew University of Jerusalem)