西工大新闻网3月30日电（陈鑫）近日，西北工业大学航空学院郗恒东教授课题组在热湍流系统中大尺度环流反转问题上取得突破性进展，相关研究成果以“Reduced flow reversals in turbulent convection in the absence of corner vortices”为题发表于流体力学顶级期刊Journal of Fluid Mechanics（JFM）的Rapids专栏（J. Fluid Mech. (2020), vol. 891, R5.论文链接：https://doi.org/10.1017/jfm.2020.202），该专栏旨在快速发表流体力学领域中具有高影响力的短篇论文。该论文的第一作者为航空学院博士研究生陈鑫，第二作者为本科毕业设计学生王东璞（现在清华大学攻读博士学位），通讯作者为郗恒东教授。该论文西北工业大学为唯一单位。该研究得到了国家自然科学基金委和中央高校基本科研专项资金的资助。

湍流结构的生成与演化是流体力学研究中极为重要的问题，它控制着湍流系统中物质，动量，能量的输运，也是湍流噪声产生的来源。瑞利-伯纳德热湍流系统是研究热湍流的一个经典模型系统。这个热湍流系统中存在一个重要的湍流结构---大尺度环流。实验观测到大尺度环流的流动方向会自发、随机的反转。流向反转在流体力学中是极为重要的一类问题。上述大尺度环流反转的统计性质同地球外地核对流反转引起的地球磁场反转有很多类似之处。说明瑞利-伯纳德系统这个简单模型系统中的流向反转很有可能和外地核的对流反转一样都是由某种相似的机制所控制的。经过20多年的研究，大尺度环流反转现象的起源还不为人所知。先前被学界广为接受的观点是大尺度环流反转是由角涡引起的。

郗恒东课题组巧妙地设计了无角涡的热对流系统，发现大尺度环流的反转依然存在。结果否定了大尺度环流是由角涡引起的这一论断。他们通过在无角涡的热对流系统和正常的热对流系统的对比实验中发现流动反转频率随瑞利数下降，而且呈现两个不同的标度率区间。通过进一步的PIV速度测量，发现流动反转频率的下降以及转变起源于大尺度环流的流动结构从“反常单环结构”转变到“正常单环结构”。跟先前课题组提出的的流动结构从“正常单环结构”到“反常单环结构”转变的物理模型（Chen et al, JFM, 2019）一致。他们进一步发现大尺度环流反转起源于两种不同的物理机制，一种为大尺度环流自身稳定性导致的反转模式，一类为角涡导致的反转模式。此项研究在国际上首次给出了角涡在大尺度环流反转过程中所起的作用。为后续的流动反转研究指明了新的方向与思路。

（审稿：林欢欢）