对称之美，体现在自然与生活的方方面 面，中国的古建筑更是将这种美展现地淋漓 尽致。然而，非对称性却更加广泛地存在， 如我们的双手，互为实物与镜像，但却不能 重合。人们将这种实物与镜像不能重合的特 征称为手性。
图 1 人的双手互为镜像，却不重合(图片来源于网络)
细心的你会发现，自己的双手并不是完 全对称的，如手指大小，指纹等，这不仅仅 来源于后天的使用习惯，更确切地说，是先 天决定的。接着，你会慢慢的发现， 自己的 双脚，双腿，甚至是双眼，都不是完全对称 的。因此， 有生物学家认为， 这种非对称性， 是生命起源的主要原因。
湍流是一种混乱到不能再混乱的流动状 态，是确定性与随机性的综合体，广泛存在 于自然现象中，如每年给人类带来巨大灾害 的龙卷风，台风等，其流动都是湍流状态。骇人听闻的龙卷风与台风，不仅破坏力强， 而且具有长周期的特征。本来是在海面上生 成的台风，其影响范围可深入内陆地区，给 人们的生产生活带来巨大的破坏。通过观测 龙卷风与台风的流动结构，我们可以清晰发 现，气流是处于边盘旋边上升或者下降的状 态，这种流动结构称之为螺旋结构。显然， 这种螺旋结构是手性不对称的，在流体力学 中， 我们可以用螺旋度(速度与涡量的点积) 来定量的刻画这种手性不对称的程度，来开 展相关理论及数值模拟研究工作。
图 2 龙卷风(图片来源于网络)
图 3 台风(图片来源于网络)
早在 80 年之前， 湍流理论的发展进入黄 金时期，伟大的统计物理学家柯尔莫戈洛夫 建立了完整的湍流经典级串理论(K41) 。 据不完全统计，近些年来所发展的湍流理论 和模型，大多是基于 K41 的理论框架。K41 理论主要描述了湍流中的动能尺度传输理 论，主要原因在于动能是守恒量。然而，螺 旋度(手性) 的守恒性定理直到 1961 年才被 法国科学家莫罗发现，很遗憾，错过了湍流 理论发展的黄金时代。
如果想要清晰地描述一个人的特征，我 们不仅需要知道他(她) 的身高和体重，还 需要知道这个人的形态特征，如五官大小， 面部表情，身材比例等。著名空气动力学家 屈西曼 (D. Kuchemann) 曾经说过 :“旋涡 是流体运动的肌腱”，这句至理名言影响至 今，概括了涡在流体运动中的作用。若想描 述流动中涡的结构，我们不仅需要知道涡的 大小，还需要了解涡的形态。流体力学中， 我们认为动能是描述涡的大大小小的物理 量，对动能的时间尺度和空间尺度传输的深 入理解，促生了一系列的湍流理论及模型， 可为工程湍流的预测和控制服务。然而，涡 的形态特征，是可以采用螺旋度(手性) 这 一物理量给予充分的描述，从拓扑学的角度 出发，认为涡的形态主要分为扭转，打结和 盘绕三种形态，如图 4 所示。因此，结合动 能与螺旋度，流体中涡的大小和形态，就可 以清晰地描述出来了。
扭转 打结 缠绕
图 4 流动拓扑结构(图片来源于 Science)
近些年来，大量的理论，实验及数值模 拟数据表明，当手性不再对称，湍流的性质 将会发生显著变化。如湍流理论中经典的标 度律 -5/3 将会发生变化，意味着湍流的自 相似行为将会发生改变；湍流的数学描述， 控制方程 Navier-Stokes 方程的非线性特征 将会被弱化，从数学上来说，强手性破缺的 湍流将会朝着弱非线性的方向发展；上文提 到的台风具有长周期的特征，其主要原因也 是在于其手性的不对称性带来的小尺度向大 尺度反馈和大尺度的自维持机制。工程上， 强手性破缺的流动会使飞行器的气动阻力变 小(如国产大型水陆两栖飞机 AG600) ，发 动机内燃料的混合效率提高，降低机械能损 失，提高发动机推力等。
图 5 AG600 飞行中的桨尖涡形态(图片来源于航空学报)
近些年来，考虑手性不对称的湍流的科 学研究，无论是在理论，数值模拟还是在实 验研究上，均取得了重大突破。2017 年， 《Science》上的一篇文章公开报道了水箱 中的螺旋度测量实验，被认为是“人类第一 次用实验方法完整地测量出流体旋涡的螺旋 度”；以手性传输为视角，揭示了三维湍流 中能量反级串的物理本质，用于解释极端自 然现象和为工程湍流控制服务，系列文章发 表在《物理评论快报》和《流体力学》上。 作者所在的研究团队在手性湍流的理论及建 模研究方面，也取得了一系列重要进展，提 出螺旋度级串具有双通道效应，建立适用于 转捩及湍流一体化的大涡模拟模型等。
综上所述，当手性不再对称，无论是湍 流的统计特征，还是流场精细化涡结构，都 会发生明显变化。相对于手性对称湍流而言， 非对称性的引入，为我们提供了一个新的物 理视角来更加清晰的认识湍流问题，期待建 立更具有普适性的湍流模型。
闫政，高温气体动力学国 家重点实验室 2016 级硕博连读 生，导师：李新亮研究员，副 导师：于长平副研究员。研究 领域：螺旋湍流理论。
