刻画湍流的非平衡不可逆本质研究获进展

湍流，号称经典物理遗留的最后难题，是远离平衡态系统的典范。湍流的非平衡不可逆特征在湍流动力学中扮演着至关重要的角色。在湍流最重要的物理图像“能量级串”中，大涡旋逐级破碎成小涡旋，伴随有能量的跨尺度单向流动，表征着湍流动力学的非平衡不可逆特性。然而对湍流的非平衡不可逆动力学，仍然缺少整体的、定量的、物理本质性刻画。

近日，中国科学院长春应用化学研究所研究员汪劲与博士吴畏、张锋，建立了一套具有整体特征的理论框架，定量刻画湍流的非平衡不可逆动力学本质。该研究创造性地提出了“非平衡三位一体”这个由严密数学支撑的新物理概念，作为建构理论体系的核心基础。非平衡三位一体是由细致平衡破缺、非高斯势能地貌、不可逆概率流这三个紧密关联的要素构成的统一整体，全面准确地抓住了湍流动力学的非平衡不可逆本质。研究表明，非平衡三位一体展现在湍流现象的诸多重要方面：驱动着湍流的非平衡流体随机动力学，衍生出湍流“能量级串”中标志性的单向能量流，并反映在发达湍流著名的4/5定律中。

这些理论发现不仅在基础层面上对湍流动力学的物理本质提供了新的见解，并且在超出流体力学范畴的非平衡随机动力系统中有潜在的应用。该成果发表于Annals of Physics, 2018, 389,63-101。

 

图：非平衡三位一体概念的图像化表示。非平衡三位一体是由三个紧密关联的要素构成的统一整体，由细致平衡破缺（顶部）、非高斯势能地貌（左下）、不可逆概率流（右下）构成，驱动着湍流的非平衡不可逆动力学（背景）

来源：中国科学院长春应用化学研究所