近日，中国科学院院士、南方科技大学力学与航空航天工程系和物理系讲席教授夏克青课题组在湍流研究领域中取得重要进展。相关成果以“Restoration of Axisymmetric Flow Structure in Turbulent Thermal Convection by Polymer Additives”为题发表在美国物理学会的旗舰出版物Physical Review Letters（《物理评论快报》）。

对称性是现代科学的核心概念，在多个层面指导着科学的发展。对称性破缺在高能物理、凝聚态物理等现代物理学的许多分支学科的发展中发挥了不可或缺的作用。自发对称性破缺（spontaneous symmetry breaking）无需显式引入对称性破缺项，对称态自发地转变为非对称态或低对称态。在具有圆柱形的湍流热对流系统中，基于控制方程和边界条件，人们会期望大尺度流动结构呈现轴对称性。然而，实际的流动拓扑结构是单环的大尺度环流，即两侧分别存在上升和下降流动，而不是轴对称模式。分析表明，这种对称性破缺不能简单归因于实验装置的缺陷。

在流体系统中加入高聚物会产生许多重要的现象，包括减阻、动量和热量输运的调制。高聚物与湍流系统相互作用是湍流研究最具挑战性的课题之一。高聚物还能改变能量在惯性尺度范围内的传输方式。在湍流热对流系统中，高聚物的添加同样会显著影响整体传热。然而，高聚物如何影响热湍流中的大尺度结构还未有深入研究，系统的对称性破缺是否会发生改变尚不清楚。

基于以上问题，团队精心设计了观测添加高聚物的热湍流系统的大尺度流动的实验，在圆柱形对流装置中进行湍流热对流的实验研究。对于牛顿流体（图1(a)），主要的流动结构是单环的大尺度环流。加入少量高聚物之后（图1(b)），大尺度流动结构主要由沿对称轴的强烈上升流和沿外围的下降流组成，即对应喷泉状结构。喷泉状结构具有轴对称性，而牛顿流体对应的大尺度环流则对应对称性破缺态。

图1：高聚物浓度为 (a) c = 0、(b) 20 ppm 时，两个垂直正交平面的时间平均速度场。大尺度流动拓扑结构分别对应对称性破缺的大尺度环流和对称性恢复的喷泉状结构。

研究团队系统探索了不同流动状态对应的参数空间。图2显示了基于不同聚合物浓度c和瑞利数Ra对应的相图。从各向异性度量w_rms/u_rms的云图看出，速度脉动的各向异性与大尺度湍流结构的拓扑特性存在高度的对应关系，即相同的流动拓扑结构具有几乎相同的脉动强度比值。这种对应关系表明轴对称结构的产生可能是高聚物对速度脉动进行各向异性抑制的结果。

图2：大尺度流动结构的相图和时空平均w_rms/u_rms分布。

团队进而研究了聚合物添加剂如何改变平均流和湍流之间的能量传递。对于牛顿流体（图3(a)），能量传递主要发生在粘性边界层区域附近。湍流产生项的流体域积分净值为正，表明总体而言平均流为湍流脉动提供能量。当添加高聚物使得大尺度流动呈现对称拓扑结构时（图3(b)），湍流产生项的空间分布发生显著变化，并且平均流和湍流脉动之间的净能量转移积分为零。因此，高聚物的添加显著改变了湍流能量的传递机理。

图3：高聚物浓度为 (a) c = 0和 (b) 20 ppm 时，垂直平面内的湍动能生成项。

此项研究首次证明了高聚物的加入可以恢复湍流系统的对称性。这种对称性恢复是通过添加高聚物来调控小尺度，进而影响大尺度的流动拓扑和湍流对称性来实现的。该工作展示了一个全新的通过抑制涨落引起的对称性恢复的机制，这与自然界中通常由于涨落的增加而引起的对称性恢复的情况不同。

论文的第一作者为夏克青课题组研究助理教授许放，通讯作者为夏克青院士，论文合作者还包括力学与航空航天工程系博士生刘小深、研究学者李小明。本研究成果获得国家自然科学基金委的资助。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.134.084001

供稿：力学与航空航天工程系

通讯员：常晶、许放

主图：丘妍

编辑：周易霖