西工大新闻网9月3日电（陈鑫）近日，航空学院湍流与复杂流动实验室郗恒东教授课题组的研究成果“Emergence of substructures inside the large-scale circulation induces transition in flow reversals in turbulent thermal convection”发表于流体力学顶级期刊Journal of Fluid Mechanics（JFM）的Rapids专栏（J. Fluid Mech. (2019), vol. 877, R1.论文链接：http://doi:10.1017/jfm.2019.624），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。此论文是与南方科技大学夏克青教授、黄仕迪副教授合作完成的。第一单位和通讯单位为西北工业大学。通讯作者是航空学院郗恒东教授。第一作者为航空学院2017级博士研究生陈鑫。该研究项目获国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费项目的资助。这是西工大第一篇发表在JFM的Rapids专栏的论文。此外，该项工作还于2018年在清华大学举办的JFM中国研讨会（JFM Symposium，Beijing）上获得Best Poster奖以及在2018年于杭州举办的第十届全国流体力学学术会议上获得优秀论文奖。

流动反转现象广泛存在于自然界中，比如大气流动的反转、海洋对流的反转以及引起地磁场反转的地球外地核的流动反转等等。湍热对流系统是一个研究流动反转的很好的模型系统，这个系统是由一个高温的下板以及低温的上板组成，上下板之间保持一个恒定的温差。湍热对流系统存在两个控制参数，瑞利数Ra以及普朗特数Pr。Ra数表征了热驱动湍流的强度，Ra数越大，由热驱动的湍流强度就越强；Pr数则表征了流体本身的物理特性，是热扩散系数与运动粘性系数之比。当系统的上下板之间的温差达到一定的阈值时，其中的流动会在浮力的驱动下自组织形成尺度与腔体尺度相若的大尺度流动，被称为大尺度环流。令人惊奇的是，大尺度环流存在着自发且随机的流动反转。之前大量的关于湍热对流系统内流动反转的实验、数值模拟中发现，流动的反转遵循着和地磁场反转类似的统计规律，然而人们对流动反转的发生机制、在Ra、Pr参数空间内的演化以及流场结构与反转发生的联系等方面仍然知之甚少。

在此项工作中，郗恒东课题组通过大量的温度测量以及PIV速度测量，发现流动反转发生的频率随着Ra数的增加不断下降，而且在不同的Ra数区间内呈现不同的标度率关系。通过速度测量，发现流动反转频率的下降以及转变与大尺度环流流动结构的转变有关（见插图）：在较低瑞利数区间时，大尺度环流内部已经破碎形成“反常单环结构”，此时角涡挤破大涡最终反转需要克服的能垒比较低，流动较易发生反转；而在较高瑞利数区间时，流动由“正常单环结构”主导，此时角涡挤破大涡最终反转需要克服的能垒比较高，因而很难发生流动反转。通过建立流动结构从“正常单环结构”到“反常单环结构”转变的物理模型，得到了流动结构转变的临界Ra数与Pr数的标度率关系，发现模型预测与实验结果吻合的很好。

湍热对流系统中大尺度流动结构随控制参数瑞利数（Ra）的转变

通过此项研究，加深了对于流动反转的发生机制、在Ra、Pr参数空间内的演化以及流场结构与反转发生的联系等方面的理解。研究揭示出角涡在大尺度环流反转过程中并非关键因素，大尺度环流自身的稳定性才是控制流动反转的关键控制因素。此项研究对后续的流动反转研究指明了新的方向与思路。

（审稿：张伟伟）