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三维湍流场中单个流体微团运动与涡量拉伸间的关系

       湍流流动包含了许许多多、大小不一的涡团。涡团的这种广泛的尺寸分布来自于湍流的能量级串,也就是较大的涡团不断破碎成较小的涡团并因此将能量传递到较小尺度的运动上。这个过程是湍流的一个基本特征,而且也是湍流流动不可逆性的根本原因。近期的研究表明,即使是湍流中流体微团的看起来毫无规则的运动,比如大气和海洋中的运动,也体现出这种不可逆性。由于和周围流场的相互作用,湍流中流体微团的速度也即动能在不断地变化,但仔细的分析发现,即使在一个统计上稳态的流场中,单个流体微团在一个给定的时间间隔内失去较大量动能的可能性要大于其在相同的时间间隔内获得同样动能的可能性。这导致了流体微团动能变化率的概率密度分布表现出非对称性:较大的动能减少率出现的概率要高于同样大小的动能增加率出现的概率。

       在最近发表的工作中(《物理评论快报》,Phys. Rev. Lett., 116:124502,2016),燃烧能源中心的徐海涛教授与法国和德国研究者合作,指出这种非对称性与涡量拉伸密切相关,而涡量拉伸是产生和维持湍流中小尺度运动的一个重要机制。因此,湍流场中单个流体微团的运动与湍流内部的结构及动力学之间存在着出乎意料的联系。这一发现给湍流研究,尤其是从跟踪流体运动的拉格朗日观点出发对湍流特性的研究,提供了新的思路。

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