解决了：数十年来一直困扰着科学家的流体力学之谜

俄勒冈州立大学环境工程教授解决了关于流体行为的数十年之谜，这是一个在医学，工业和环境领域都有广泛应用的研究领域。

布莱恩·伍德（Brian D. Wood）的研究发表在《流体力学》杂志上，为近70年来一直困扰科学界的障碍扫清了障碍，为更清晰地了解化学物质在流体中的混合方式铺平了道路。

对该基本原理的更全面了解为一系列领域的进步奠定了基础-从污染物在大气中的传播方式到药物在人体组织中的渗透方式。

伍德（Wood）由国家科学基金会（National Science Foundation）资助，其弥散理论的研究建立在俄勒冈州历史上最杰出的科学家之一奥克塔夫·莱文斯皮尔（Octave Levenspiel）的研究基础上。1952年取得化学工程博士学位。勒文斯皮尔（Levenspiel）毕业，后来成为长期教职人员，1957年发表了一篇关于化学反应器中分散的重要论文，成为该学院成为美国国家工程院的第一位入职者。

更重要的是，伍德（Wood）的研究弥合了流体力学基本原理之一的长期差距：泰勒色散理论。以英国物理学家和数学家G.I.泰勒（Taylor）是1953年发表的一篇开创性论文的作者，该理论涉及一种现象，在该现象中，流体速度场中的波动导致化学物质在其中传播。

伍德说：“分散扩散的过程往往会随着时间的推移而增加，直到达到稳定水平为止。”“您可以将其视为类似于对初创公司的投资，在初创公司中，回报率最初可能非常高，然后才能稳定到接近恒定的更可持续的水平。”

泰勒的理论是第一个允许研究人员使用所谓的宏观色散方程来预测稳定色散水平的理论。该方程式可以描述某种化学物质在流体中的净运动，前提是从化学物质进入流体以来已经经过了足够的时间。

伍德说：“那是当时的重要启示。”“这与研究人员在量子力学等其他领域的理论研究相提并论。”

尽管泰勒的理论是成功且具有革命性的，但研究人员仍在为分散传播如何从其动态的早期行为（即所谓的初始状态）演变成达到泰勒所预测的更恒定值的问题而苦苦挣扎。

科学家通过在方程中添加随时间变化的色散系数获得了一些成功，但是该系数产生了它自己的问题，主要的问题是悖论。

“例如，如果注入到流体中的化学溶质在两个不同的时间重叠，那么您应该将哪个时间分配给分散系数？”伍德说。“泰勒本人理解，当采用随时间变化的色散系数时，当代理论违反了物理学中因果关系的基本概念。”

伍德和合作者使用了另一种偏微分方程理论，来证明随时间变化的弥散系数的问题是由于忽略了溶质的松弛而产生的，溶质是从流体的初始状态注入溶液或溶液中。

伍德解释说：“当第一次注入化学物质时，它们的行为不一定与分散型方程式一致。”“相反，初始条件首先必须'放松'。”在这段时间里，泰勒的宏观色散方程中还有一个额外的术语要解决。

在方程式中，术语是指单个数字或变量，或者数字和变量相乘在一起。

伍德伍德一词更正了弥散方程，以解决流体中移动的化学物质的初始构型。伍德说，有些令人惊讶的是，该理论还解决了其他理论中与时间有关的弥散系数的悖论。

他说：“在新理论中，当化学溶质重叠时，应该使用哪种分散系数从来没有问题。”“对扩展过程的调整是通过附加条款的出现自动进行的。”

参考：E. Taghizadeh，F。J.Valdés-Parada和B. D. Wood的“渐近泰勒色散：从初始状态的演化”，2020年2月20日，流体力学杂志。DOI：
10.1017 / jfm.2020.56

与伍德一起工作的是俄勒冈州立大学化学工程博士候选人埃桑·塔吉扎德（Ehsan Taghizadeh），以及墨西哥城大都会自治大学化学工程学教授弗朗西斯科·何塞·瓦尔德斯·帕拉达（FranciscoJoséValdés-Parada），他于2009年在俄勒冈州立大学完成了博士后研究金。