近期，《Phys. Fluids》刊登了清华大学孙超和上海大学周全科研团队的王东璞等人关于超重力热湍流中的湍流脉动统计特性研究工作，论文题为“Spectra and structure functions of the temperature and velocity fields in supergravitational thermal turbulence”。

　　极端超重力以及高速旋转条件下的湍流流动在自然界、工业生产和国防军工中广泛存在，对于极端重力条件下的湍流脉动统计特性的研究，有助于揭示超高湍流度下的热湍流的流动传热机理。

　　在均匀各向同性湍流中，Kolmogorov认为动能仅从积分尺度注入，向下级串至耗散尺度，因此根据惯性力做功与粘性耗散率相平衡，可以得到K41标度律。在浮力驱动的对流中，温差通过浮力影响速度场，流动变得各向异性，Bolgiano和Obukhov各自通过浮力输运与惯性力做功相平衡推导出了所谓的BO59能量级串规律，然而迄今在传统热湍流系统中，还没有测得横跨多尺度数量级范围的结果。

　　近期，孙超团队提出并开发了一个崭新的超重力驱动的湍流热对流系统，巧妙地实现了浮力效应大幅增加，提供了新的探索热湍流本质规律的思路，为后续进一步开发极端重力条件下的湍流模型奠定了基础。

　　这项研究通过直接数值模拟方法，对超重力热湍流系统中的湍流脉动特性进行了系统的研究。首先，能谱和结构函数服从BO59标度律（图8a）。其次，随着瑞利数增大，BO59标度律的尺度范围变得更宽（图8b）。并且BO59标度律发生在大于Bolgiano尺度区间（图8c），与BO59理论相一致。此外，研究发现随着瑞利数增大，边界层区外的概率密度函数呈现更宽范围的长尾的指数分布，说明流动具有更多高浮力的羽流结构。因此超重力热湍流中较大的离心浮力作用被认为是BO59标度律的原因。

图8：（a）和，径向速度的结构函数指数与尺度的标度律指数对阶数的依赖关系，与BO59标度律相符，与K41标度律偏差较大；（b）温度能谱与周向波数的依赖关系；（c）通过BO59标度律归一化后的周向温度能谱与Bolgiano尺度归一化后的波数的依赖关系。

　　该工作实现了对极端条件及极高湍流强度下热湍流的时空精准湍流脉动模拟和分析，系统地研究了极高的离心浮力与非线性惯性力对湍流能量传递过程的复杂耦合作用，揭示了极端加速度、极端温度梯度等强各向异性的湍流换热机理。下一步将基于高旋转下温度和速度场的耦合规律，校验现有基于各向同性假设的湍流模型在超重力条件下是否适用。论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0091012。