一組國際科學家成功證明，升起的氣泡群會產生的湍流行為，完全符合近一世紀前所提出的著名理論。這項研究由德累斯頓-羅森多夫赫爾姆霍茨中心（HZDR）、約翰霍普金斯大學及杜克大學的研究人員共同進行，研究團隊追蹤了氣泡和流體粒子的三維運動。這項實驗提供了直接的實驗證據，顯示所謂的「Kolmogorov scaling」可以在氣泡引起的湍流中出現，證實了1941年關於能量如何在湍流中從大渦旋傳遞到小渦旋的理論。
研究的主要作者、HZDR流體動力學研究所的物理學家馬天（Tian Ma）表示，團隊希望通過仔細觀察氣泡之間及其周圍的湍流，並關注非常小的尺度來獲得明確的答案。氣泡引起的湍流一直是古典物理學中最難以捉摸的問題之一，無論是在碳酸飲料、工業混合過程，還是海浪的崩潰中都隨處可見。儘管蘇聯數學家安德烈·科爾摩戈洛夫（Andrey Kolmogorov）的理論被廣泛接受，用以描述湍流中能量的耗散，但在多氣泡系統中證明其相關性依然是一項科學挑戰。
為了測試這一理論在氣泡流中的適用性，研究團隊使用了先進的三維同步拉格朗日追蹤技術，精確捕捉兩個相的運動。這種方法使科學家能夠實時跟蹤氣泡和周圍水中的微小標記粒子的運動。團隊建造了一個直徑為4.5英寸（約11.5厘米）的垂直水柱，從底部注入氣泡群，並使用四台同步的高速攝影機以每秒2500幀的速度捕捉到細緻的畫面。為了模擬實際的氣泡流，團隊在四次不同的實驗中變化了氣泡的大小和氣體的量，三到五毫米的氣泡在上升過程中搖晃，產生強烈的尾流。
在四種情況中的兩種中，當氣泡的大小和密度適中時，流體中的湍流在小尺度上與科爾摩戈洛夫的預測非常吻合，這些小渦旋的大小小於氣泡的直徑。根據研究團隊的說法，這是首次在氣泡群中實驗性地確認這種比例關係。杜克大學的研究員安德魯·布拉格（Andrew Bragg）指出，科爾摩戈洛夫的理論優雅地描述了能量如何從大型渦旋流向小型渦旋，直到最終耗散，並且這一理論同樣適用於氣泡驅動的湍流，這一發現既令人驚訝又令人興奮。
研究團隊還提出了一個新的公式，以僅使用氣泡的大小和密度作為變量來估算這些流動中的能量損失。預測結果與實驗結果緊密相符，這表明為氣泡湍流提供了一個更簡單的模型。他們發現，氣泡周圍的湍流在氣泡的直接尾流之外也遵循科爾摩戈洛夫的比例關係，因為尾流的劇烈擾動打破了通常的流動結構，這解釋了為什麼之前的研究可能會錯過這種聯繫。
儘管存在一些限制，尤其是較大的氣泡往往會破裂，但這些發現標誌著在理解多相系統中湍流行為方面邁出了重要的一步。參與研究的亨德里克·赫森肯帕（Hendrik Hessenkemper）表示，雖然自然界使氣泡無法產生完美的科爾摩戈洛夫湍流，但在適當的條件下，仍然可以接近這一理論。這些發現解決了一個長期存在的爭論，並可能有助於改善化學反應器和污水處理廠等工業系統的運行。隨著對氣泡流中湍流基本規則的理解不斷加深，未來在實際應用中的運用將會更加有效，這一點非常令人讚嘆，因為超過80年前的理論在如此複雜的環境中依然成立。這項研究已發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）期刊上。
