螺旋旋转湍流中能量/螺旋度联合输运机制研究新进展

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螺旋度作为三维湍流中唯一的具有手性的二阶无粘不变量，是湍流拓扑结构的定量表征，在湍流的演化中扮演着重要角色。自然界的旋转流动经常伴随着高的螺旋度，旋转与螺旋度的耦合效应在叶轮机械等工业领域具有重要的研究及应用价值。

中科院力学所空天飞行器流动数值模拟课题组近期在旋转湍流的基础上引入了螺旋度，研究了能量与螺旋度的尺度输运效应。该工作系统地分析了能量与螺旋度输运的守恒性与对称性，提出了谱空间螺旋度输运的新的理论表达式，推导并证明了其与传统表达式的区别与联系，并给出了一系列的定量关系。研究发现螺旋度会对旋转导致的能量反向级串产生明显抑制效应，这是该现象的首次发现。此外，通过对螺旋度输运的理论分析发现了螺旋度手性极化等现象的新物理机制。该工作不仅深化了螺旋度与旋转效应在湍流演化中的耦合作用理论，而且拓展了螺旋度尺度分析在复杂湍流研究中的应用。

图1 谱空间的尺度分割与角度分割

(a) 无螺旋度无旋转；(b) 无螺旋度有旋转；(c) 满螺旋度有旋转；(d) 满螺旋度弱旋转

图2 流动结构示意图

该工作以“Transfers of energy and helicity in helical rotating turbulence” 为题发表在Journal of Fluid Mechanics杂志。该论文第一作者是中科院力学所硕士研究生胡润宁同学，通讯作者为于长平副研究员，合作者李新亮研究员。该研究得到了国家重点研发计划 (2019YFA0405300，2020YFA0711800) 和国家自然科学基金项目 (91852203, 12072349) 的支持。

论文链接：
https://doi.org/10.1017/jfm.2022.580

来源：中国科学院力学研究所官网，作者：于长平。