同濟大學科研團隊合作發表有關旋渦布朗運動的研究成果

同濟大學科研團隊合作發表有關旋渦布朗運動的研究成果

來源：物理科學與工程學院   時間：2020-08-20  瀏覽：

近日，同濟大學物理科學與工程學院教授鍾錦強團隊聯合南方科技大學、香港中文大學教授夏克青團隊，在湍流體系旋渦結構的運動演化規律的研究中取得突破性成果。論文以Vortices as Brownian Particles in Turbulent Flows（湍流中旋渦的布朗運動）為題發表在Science Advances（Science子刊）上。

懸浮在液體或氣體中的微粒發生隨機的布朗運動，這一現象由英國植物學家布朗（R. Brown）於1827年發現。愛因斯坦（A. Einstein）在1905年對布朗運動的隨機行為進行開創性的理論描述。布朗運動的研究推動了現代分子運動論和統計力學的發展。1908年朗之萬（P. Langevin）預言了理想布朗顆粒的運動狀態從短時間的彈道（ballistic）區向長時間的擴散（diffusive）區發生直接的轉變。實際系統中由於受到環境流體的相互作用，顆粒的運動有記憶關聯效應，其運動狀態從彈道區到擴散區逐漸過渡。近百年來朗之萬預言的純布朗運動未曾在流體系統的研究中觀察到。

旋轉湍流對流體系的旋渦結構

研究人員在精密調控的旋轉平臺上，以旋轉湍流系統的旋渦為研究對象，運用時空高度解析的流場可視化實驗方法與直接數值模擬方法，觀察到柱狀對流旋渦的隨機水平運動。研究發現，旋渦水平運動的方均位移隨時間間隔的增長從彈道區向擴散區的直接轉變，中間沒有過渡區，符合純布朗運動的規律。論文揭示了其中的物理機理：對流旋渦處於充分發展的湍流背景中，背景流體與旋渦的相互作用驅動旋渦的隨機力而沒有記憶關聯效應；由浮力驅動的對流旋渦具有質量慣性與運動粘性；因此旋渦的運動是由朗之萬方程決定，其運動規律與朗之萬的理論預言一致。這一研究是在流體環境中對純布朗運動的首次觀察。

對流旋渦水平運動的統計規律。數據顯示旋渦運動與朗之萬方程預言的純布朗運動相符

實驗與理論計算結果都表明，旋渦布朗運動從彈道區到擴散區轉變的特徵時間是10秒左右，它由旋渦的特徵尺度與運動粘性決定的。這是一個具備非常難得的特徵時間的實驗體系；運用這一研究體系，人們可以在常規的實驗周期下，對以秒量級為時間尺度的彈道區域，和以小時為時間量級的擴散區域的隨機布朗運動行為進行充分的統計研究。

湍流的研究是世界難題。本研究表明，旋轉湍流運動中出現大尺度的旋渦結構，其運動演化特性符合人們熟知的物理統計規律而具有普遍性。在《科學進展》的評審過程中，審稿人高度評價了這一研究工作，認為「這一研究工作是20多年來旋轉對流領域的重要進展，更新了人們對這一重要湍流系統的認識」，「關於旋渦運動的研究工作是原創的、引人關注的和讓人信服的，開拓了旋轉湍流對流領域的研究新體系。」在未來的工作中，研究團隊將對湍流結構隨機運動行為的廣泛性及其流體力學微觀機製作深入研究。

香港中文大學莊啟亮博士為論文第一作者，同濟大學石俊強博士為論文第二作者，鍾錦強和夏克青教授為論文的共同通訊作者。南科大-港中大團隊承擔了課題中大規模的數值模擬計算工作，同濟大學團隊負責完成了高精度的實驗測量。同濟大學以鍾錦強為指導老師的實驗團隊近年來創建了精密的旋轉對流（rotating convection）研究平臺，在湍流輸運的精密測量與湍流場的高解析度成像等方面具備國際領先的實驗標準。團隊在旋轉湍流的熱輸運與湍流結構的運動演化等領域取得了原創性的研究成果。在Science Advances，Journal of Fluid Mechanics，Physical Review Letters，Physical Review Fluids等國際期刊上發表了系列論文。該研究得到了國家自然科學基金面上項目（No. 11572230，No. 11772235）以及國際合作與交流項目（No. 11561161004）資助。

論文連結：https://advances.sciencemag.org/content/6/34/eaaz1110