近期，《Phys. Rev. Lett.》刊登了清华大学燃烧能源中心、能源与动力工程系和航天航空学院教授、新基石研究员孙超课题组与合作团队关于两相湍流相反转过程中的临界动力学行为的研究工作，论文的题目为“油水两相湍流相反转过程中的临界涨落发散现象”（Divergence of Critical Fluctuations on Approaching Catastrophic Phase Inversion in Turbulent Emulsions）。

图1. (a) 实验装置示意图。（b）油水两相湍流的相反转过程。（c）相反转过程中扭矩脉动量的临界发散行为。

该研究利用自行设计搭建的多相剪切湍流实验平台，在实验中实现了高达92%的相反转体积分数，并得到正向与反向实验之间80%体积分数宽度的相反转迟滞效应区间。实验发现系统扭矩脉动量在靠近相反转点过程中遵循临界指数发散规律，而相反转事件的触发具有随机特性（如图1所示）。进一步分析发现，微观分散相结构的动态异质性增强，并表现出一定程度的长程关联，结构特征尺寸具有临界发散特征，该实验结果同时得到了三维数值模拟的验证（如图2所示）。宏观动力学与微观相结构上的临界转变规律的发现，为油水两相湍流中相反转现象的“突变”特征提供了一个解释机制。在此基础上，建立了油水两相湍流非平衡相反转过程与经典热力学平衡临界相变过程之间的联系。

图2. （a）三维全分辨数值模拟。（b）微观分散相结构的动态行为。（c-d）实验与数值模拟中分散相结构特征尺寸的临界发散特征。

这项研究从宏观动力学与微观相结构转变两个角度，揭示了油水液-液两相体系在相反转过程中特征参数的临界发散规律，提出了相反转“突变”特征的解释机制。这项研究拓展了液-液两相湍流相反转过程中临界动力学行为的研究方向，同时为推动理解流体动力学与凝聚态物理概念之间的内在联系提供了新的机遇，为理解石油开采与输运、化工生产与材料制备等工业过程中的液-液两相湍流分散体系提供了指导。

以上研究获得国家自然科学基金基础科学中心项目 “非线性力学的多尺度问题研究”(基金号：11988102) 、腾讯新基石研究员项目及科学探索奖项目等的支持。

通讯作者简介：

孙超，美国物理学会会士（APS Fellow），香港中文大学物理系博士，现任清华大学能源与动力工程系教授，现阶段主要研究方向为：多相流、多相湍流和湍流减阻，高雷诺数湍流、传热和传质，液滴对表面撞击动力学、液滴碰撞动力学，微流、高速射流和高速液滴及其应用。