近日，同济大学物理科学与工程学院教授钟锦强团队联合南方科技大学、香港中文大学教授夏克青团队，在湍流体系旋涡结构的运动演化规律的研究中取得突破性成果。论文以Vortices as Brownian Particles in Turbulent Flows（湍流中旋涡的布朗运动）为题发表在Science Advances（Science子刊）上。

悬浮在液体或气体中的微粒发生随机的布朗运动，这一现象由英国植物学家布朗（R. Brown）于1827年发现。爱因斯坦（A. Einstein）在1905年对布朗运动的随机行为进行开创性的理论描述。布朗运动的研究推动了现代分子运动论和统计力学的发展。1908年朗之万（P. Langevin）预言了理想布朗颗粒的运动状态从短时间的弹道（ballistic）区向长时间的扩散（diffusive）区发生直接的转变。实际系统中由于受到环境流体的相互作用，颗粒的运动有记忆关联效应，其运动状态从弹道区到扩散区逐渐过渡。近百年来朗之万预言的纯布朗运动未曾在流体系统的研究中观察到。

旋转湍流对流体系的旋涡结构

研究人员在精密调控的旋转平台上，以旋转湍流系统的旋涡为研究对象，运用时空高度解析的流场可视化实验方法与直接数值模拟方法，观察到柱状对流旋涡的随机水平运动。研究发现，旋涡水平运动的方均位移随时间间隔的增长从弹道区向扩散区的直接转变，中间没有过渡区，符合纯布朗运动的规律。论文揭示了其中的物理机理：对流旋涡处于充分发展的湍流背景中，背景流体与旋涡的相互作用驱动旋涡的随机力而没有记忆关联效应；由浮力驱动的对流旋涡具有质量惯性与运动粘性；因此旋涡的运动是由朗之万方程决定，其运动规律与朗之万的理论预言一致。这一研究是在流体环境中对纯布朗运动的首次观察。

对流旋涡水平运动的统计规律。数据显示旋涡运动与朗之万方程预言的纯布朗运动相符

实验与理论计算结果都表明，旋涡布朗运动从弹道区到扩散区转变的特征时间是10秒左右，它由旋涡的特征尺度与运动粘性决定的。这是一个具备非常难得的特征时间的实验体系；运用这一研究体系，人们可以在常规的实验周期下，对以秒量级为时间尺度的弹道区域，和以小时为时间量级的扩散区域的随机布朗运动行为进行充分的统计研究。

湍流的研究是世界难题。本研究表明，旋转湍流运动中出现大尺度的旋涡结构，其运动演化特性符合人们熟知的物理统计规律而具有普遍性。在《科学进展》的评审过程中，审稿人高度评价了这一研究工作，认为“这一研究工作是20多年来旋转对流领域的重要进展，更新了人们对这一重要湍流系统的认识”，“关于旋涡运动的研究工作是原创的、引人关注的和让人信服的，开拓了旋转湍流对流领域的研究新体系。”在未来的工作中，研究团队将对湍流结构随机运动行为的广泛性及其流体力学微观机制作深入研究。

香港中文大学庄启亮博士为论文第一作者，同济大学石俊强博士为论文第二作者，钟锦强和夏克青教授为论文的共同通讯作者。南科大-港中大团队承担了课题中大规模的数值模拟计算工作，同济大学团队负责完成了高精度的实验测量。同济大学以钟锦强为指导老师的实验团队近年来创建了精密的旋转对流（rotating convection）研究平台，在湍流输运的精密测量与湍流场的高解析度成像等方面具备国际领先的实验标准。团队在旋转湍流的热输运与湍流结构的运动演化等领域取得了原创性的研究成果。在Science Advances，Journal of Fluid Mechanics，Physical Review Letters，Physical Review Fluids等国际期刊上发表了系列论文。该研究得到了国家自然科学基金面上项目（No. 11572230，No. 11772235）以及国际合作与交流项目（No. 11561161004）资助。

论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/34/eaaz1110