力学所在微重力下界面张力梯度驱动对流向湍流转捩过程的研究中取得进展

力学所在微重力下界面张力梯度驱动对流向湍流转捩过程的研究中取得进展

界面张力梯度驱动对流作为微重力环境下自然对流热质输运的基本形式，对其基本规律的研究有助于人类深入认识空间极端环境中物质运动规律，并进而有效开发和利用空间环境资源，因此，一直是微重力流体物理研究的重要方向。我国航天技术（如先进的空间流体管理技术）的发展和对空间环境资源的开发利用（如空间材料生长与地外资源原位利用），以及中国空间站全面建成并转入应用与发展新阶段所提供的优质实验条件，使得该领域的研究成为目前微重力科学领域研究的重点和前沿。

近期，中科院力学所微重力重点实验室研究人员在微重力条件下环形液层界面张力梯度驱动对流向湍流转捩过程的研究中取得重要进展，进一步发展了胡文瑞院士首倡的体积比效应模型和理论。首先，建立了弯曲自由面的界面张力梯度驱动对流数值计算模型以刻画环形液层体积比效应，对不同体积比下的转捩过程开展了直接数值模拟，得到了随着外加驱动力（温差）的增加，流动经由稳态发展到周期振荡，再到非周期振荡，最后直至混沌的流场和温度场动态数据，发现在不同体积比下流动表现出不同的转捩途径。其次，针对临界失稳和超临界转捩两个典型阶段，采用频谱分析与动力学模态分解的方法，从时间和空间两个维度提取流场和温度场的时空结构特征，识别出不同的分岔模式。发现小体积比(<1.0)时，即使在很高的温差下，对流仍能保持周期振荡；而大体积比(>=1.0)时大温差下振荡对流失稳会形成周期、准周期等复杂的流动模式。最后，根据不同体积比下分岔模式的不同演化道路，及其特征模态呈现出的不同空间结构与频率特性，分析了体积比对转捩过程的影响，揭示出体积比的作用机制，即大体积比增强了模态的不稳定性，通过激发出更多的基频、发展出更高阶的小尺度结构，形成复杂的流动模式。本研究结果进一步揭示了界面张力梯度驱动对流向湍流转捩过程中流场和温度场的非线性时空演化特性，为转捩机制的探索提供了新的启发。

相关结果发表在International Journal of Thermal Sciences[179 (2022) 107707] 和International Journal of Heat and Mass Transfer [208 (2023) 124059]上, 中科院力学所李凯研究员为通讯作者，博士研究生郭子漪为（共同）第一作者。部分成果曾由郭子漪在第12届全国微重力科学学术会议上进行过交流，并获得“青年学者优秀报告奖”。相关工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2022.107707

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124059

图 1 不同体积比下的转捩过程

图 2 速度场特征模态及其对应特征频率示意图（由上到下温差依次为10K, 20K和50K, 体积比1.1131）