湍流,號稱經(jīng)典物理遺留的最后難題,是遠(yuǎn)離平衡態(tài)系統(tǒng)的典范。湍流的非平衡不可逆特征在湍流動力學(xué)中扮演著至關(guān)重要的角色。在湍流最重要的物理圖像“能量級串”中,大渦旋逐級破碎成小渦旋,伴隨有能量的跨尺度單向流動,表征著湍流動力學(xué)的非平衡不可逆特性。然而對湍流的非平衡不可逆動力學(xué),仍然缺少整體的、定量的、物理本質(zhì)性刻畫。?
近日,中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所汪勁研究員與吳畏博士、張鋒博士,建立了一套具有整體特征的理論框架,定量刻畫湍流的非平衡不可逆動力學(xué)本質(zhì)。該研究創(chuàng)造性地提出了“非平衡三位一體”這個由嚴(yán)密數(shù)學(xué)支撐的新物理概念,作為建構(gòu)理論體系的核心基礎(chǔ)。非平衡三位一體是由細(xì)致平衡破缺、非高斯勢能地貌、不可逆概率流這三個緊密關(guān)聯(lián)的要素構(gòu)成的統(tǒng)一整體,全面準(zhǔn)確地抓住了湍流動力學(xué)的非平衡不可逆本質(zhì)。研究表明,非平衡三位一體展現(xiàn)在湍流現(xiàn)象的諸多重要方面:驅(qū)動著湍流的非平衡流體隨機(jī)動力學(xué),衍生出湍流“能量級串”中標(biāo)志性的單向能量流,并反映在發(fā)達(dá)湍流著名的4/5定律中。
這些理論發(fā)現(xiàn)不僅在基礎(chǔ)層面上對湍流動力學(xué)的物理本質(zhì)提供了新的見解,并且在超出流體力學(xué)范疇的非平衡隨機(jī)動力系統(tǒng)中有潛在的應(yīng)用。該成果發(fā)表在Annals of Physics, 2018, 389,63-101。?
(電分析化學(xué)國家重點實驗室)
圖:非平衡三位一體概念的圖像化表示。非平衡三位一體是由三個緊密關(guān)聯(lián)的要素構(gòu)成的統(tǒng)一整體,由細(xì)致平衡破缺(頂部)、非高斯勢能地貌(左下)、不可逆概率流(右下)構(gòu)成,驅(qū)動著湍流的非平衡不可逆動力學(xué)(背景)
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