南科大夏克青课题组揭示涡旋运动规律的奥秘
2020年08月24日 科研新闻 浏览量 :1757

近日,南方科技大学力学与航空航天工程系讲席教授夏克青课题组在与同济大学教授钟锦强课题组的合作研究中揭示涡旋运动规律的奥秘,发现热对流系统中泰勒涡的运动符合郎之万模型描述的惯性粒子布朗运动。这项研究成果发表在国际著名期刊Science Advances

涡旋在自然界中广泛存在,它们的运动规律对帮助我们理解自然界有重要作用。例如热对流系统中的涡运动决定着海洋或大气系统的流动以及行星或恒星等星体大尺度环流系统能量与物质的传输。然而由于湍流系统的复杂性,前人在湍流系统中的涡研究主要集中于涡结构等特征的分析,在涡的运动规律上仍有众多未知。

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图1. 泰勒涡流线图

研究团队从数值和实验上观测了宏观的旋转瑞利-伯纳德自然对流系统中的泰勒涡运动(图1),发现系统中的泰勒涡会先进行一段弹道运动(ballistic motion),而后直接进入扩散运动(diffusive motion)。因而获得了包括方均位移和速度相关函数等一系列完整的数据,证明了泰勒涡的运动确实符合郎之万模型描述的惯性粒子布朗运动。

郎之万的模型指出,惯性粒子的布朗运动在短时间尺度内表现为弹道运动;而在超过某个特定的转变时间尺度后,惯性粒子的布朗运动表现为扩散运动。然而,在郎之万的理论模型提出后的一百多年间里,仍然没有人在液体系统中观察到纯粹的布朗运动。因为在实际观测中,惯性粒子在液体中的布朗运动无法像郎之万所预测的那样从弹道运动直接转变为扩散运动,而是会经历一个被称为流体动力区间的过渡阶段。这就是所谓的“流体记忆效应”。由于此效应的存在,实际观测到的布朗运动大多偏离郎之万的预测。

该研究的结果改变了人们对于湍流系统中涡运动的理解,首次将湍流系统中的涡运动与描述微观颗粒的布朗运动相联系,为涡运动的研究提供了全新的方向。另外这项研究对于理解自然界中的相关物理过程有重要的参考意义。举例说,泰勒涡存在于地球液态外核中,是地磁场形成的关键因素之一。此项研究表明,惯性的存在使得泰勒涡的运动具备记忆,在短时间尺度表现为可预测的弹道运动而非不可预测的扩散运动。而地外核中的泰勒涡运动在小时到年这样的时间尺度内属于惯性弹道运动区间,因此除了如太阳风这样的外部因素外,泰勒涡本身的惯性也是一个对地外核物理演化预测而言非常重要的影响因素。

夏克青课题组2018届博士毕业生庄启亮为论文第一作者,夏克青、钟锦强为论文共同通讯作者。南科大、同济大学为共同通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金委员会及香港研究资助局联合科研资助基金、国家自然科学基金、香港研究资助局、香港博士研究生奖学金计划的资助。

 

文章链接:https://advances.sciencemag.org/content/6/34/eaaz1110

 

供稿单位:力学与航空航天工程系

通讯员:朱学良

编辑:吴一敏

主图设计:丘妍

 


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