南科大夏克青課題組揭示渦旋運動規律的奧秘

2020-09-05 南方科技大學

近日，南方科技大學力學與航空航天工程系講席教授夏克青課題組在與同濟大學教授鍾錦強課題組的合作研究中揭示渦旋運動規律的奧秘，發現熱對流系統中泰勒渦的運動符合郎之萬模型描述的慣性粒子布朗運動。這項研究成果發表在國際著名期刊Science Advances。


渦旋在自然界中廣泛存在，它們的運動規律對幫助我們理解自然界有重要作用。例如熱對流系統中的渦運動決定著海洋或大氣系統的流動以及行星或恆星等星體大尺度環流系統能量與物質的傳輸。然而由於湍流系統的複雜性，前人在湍流系統中的渦研究主要集中於渦結構等特徵的分析，在渦的運動規律上仍有眾多未知。

圖1. 泰勒渦流線圖

研究團隊從數值和實驗上觀測了宏觀的旋轉瑞利-伯納德自然對流系統中的泰勒渦運動（圖1），發現系統中的泰勒渦會先進行一段彈道運動（ballistic motion），而後直接進入擴散運動（diffusive motion）。因而獲得了包括方均位移和速度相關函數等一系列完整的數據，證明了泰勒渦的運動確實符合郎之萬模型描述的慣性粒子布朗運動。

郎之萬的模型指出，慣性粒子的布朗運動在短時間尺度內表現為彈道運動；而在超過某個特定的轉變時間尺度後，慣性粒子的布朗運動表現為擴散運動。然而，在郎之萬的理論模型提出後的一百多年間裡，仍然沒有人在液體系統中觀察到純粹的布朗運動。因為在實際觀測中，慣性粒子在液體中的布朗運動無法像郎之萬所預測的那樣從彈道運動直接轉變為擴散運動，而是會經歷一個被稱為流體動力區間的過渡階段。這就是所謂的「流體記憶效應」。由於此效應的存在，實際觀測到的布朗運動大多偏離郎之萬的預測。

該研究的結果改變了人們對於湍流系統中渦運動的理解，首次將湍流系統中的渦運動與描述微觀顆粒的布朗運動相聯繫，為渦運動的研究提供了全新的方向。另外這項研究對於理解自然界中的相關物理過程有重要的參考意義。舉例說，泰勒渦存在於地球液態外核中，是地磁場形成的關鍵因素之一。此項研究表明，慣性的存在使得泰勒渦的運動具備記憶，在短時間尺度表現為可預測的彈道運動而非不可預測的擴散運動。而地外核中的泰勒渦運動在小時到年這樣的時間尺度內屬於慣性彈道運動區間，因此除了如太陽風這樣的外部因素外，泰勒渦本身的慣性也是一個對地外核物理演化預測而言非常重要的影響因素。

夏克青課題組2018屆博士畢業生莊啟亮為論文第一作者，夏克青、鍾錦強為論文共同通訊作者。南科大、同濟大學為共同通訊單位。該研究得到了國家自然科學基金委員會及香港研究資助局聯合科研資助基金、國家自然科學基金、香港研究資助局、香港博士研究生獎學金計劃的資助。

文章連結：https://advances.sciencemag.org/content/6/34/eaaz1110

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