谈谈达·芬奇与湍流

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图1 达·芬奇自画像

每当提到达芬奇这个伟大的名字，脑海中总是首先浮现出他的自画像（图1），然后联想到由他创作的《蒙娜丽莎》和《最后的晚餐》等名画，进而联想到他发明坦克、扑翼机、降落伞和直升机等，远远超出他那个历史年代的近乎神迹的事迹。作为文艺复兴三巨匠之一，达·芬奇的成就并不局限于艺术创作，而是同时在工程学和自然科学等方面均有广泛涉猎，成为他那个时代百科全书式的人物。

图2 达·芬奇笔下的尾迹流

图3 达·芬奇描绘的孔口出流

作为艺术家的达·芬奇，对流水的复杂运动方式非常感兴趣，曾经描绘过水的各种运动形态（图2、图3），并留下“水是所有自然现象的驱动力 (Water is the driving force of all nature)”这样的名言。

图4 达·芬奇谈论湍流的一幅画

在谈论湍流研究历史的时候，众多文献往往从达芬奇的一幅画（图4）说起。这幅画是达·芬奇所描绘的众多复杂水流中的一幅，这幅画表现的是水从渠道中流入一个水池，水花翻滚、卷曲，水面上还散布着细小的气泡，并且很好地表现了旋涡层层卷起的样貌。但仅仅这样还不足以让这幅画进入湍流研究的史册，更为特别的是达·芬奇在这幅画下写下一段文字：

翻译成英文就是：Observe the motion of the surface of the water, which resembles that of  hair, which has two motions, of which one is caused by the weight of the hair, the other by the direction of the curls; thus the water has eddying motions, one part of which is due to the principal current, the other to the random and reverse motion.

其中文意思是：观察水面的运动形态，就象在观察头发的形态，头发的形状由两个形态构成，一个形态是由头发的重量引起的，另一个形态则是由头发的卷曲引起的；同样在水的运动中也有旋涡运动，水的运动一部分由主流决定，另一部分则由随机的逆向运动决定。
这段话不仅描述了水流的复杂运动，更将水流的运动分解为主流和随机流动两个部分，这个观点与雷诺分解有神似之处，因而被认为是深具物理洞察力的观点。更特别的是，达·芬奇在其笔记中还将混乱的水流运动称为la turbolenza，这个词恰好对应于英文中的turbulence一词，比开尔文爵士使用这个词称呼湍流早了300多年。正是达·芬奇的这个真知灼见，使他成为拉开湍流研究历史大幕的伟大人物。

来源：仿真学习与应用微信公众号（ID：use_ansys），原文来自流体中文网。