旋转效应破坏了壁湍流中的对称性，在叶轮机械的能量转换中起到了关键作用，可通过螺旋度进行量化。目前关于流动的手性与螺旋度研究多集中在基础领域。开展旋转壁湍流中的手性破缺研究，是将相关机理向湍流边界层研究的拓展，对促进螺旋度的动力学机理走向应用具有重要意义。中国科学院力学研究所空天飞行器流动数值模拟课题组在近期推导螺旋度的微分结构函数方程，发现了旋转效应与对流效应的对抗机制，流动手性破缺的多尺度特征，并以螺旋度作为主要研究对象揭示了旋转壁湍流中新的复杂流动机理，为进一步开展旋转壁湍流的建模与流动控制研究打下了重要理论基础。该工作以“Effects of streamwise rotation on helicity and vortex in channel turbulence” 为题发表在Journal of Fluid Mechanics 上。

研究表明，旋转数与雷诺数对螺旋多尺度动力学和涡演化表现出相反的影响，体现了科氏力与对流效应间的对抗机制。旋转效应通过科氏项与对应压力项影响螺旋度的演化与发展。在边界层底部，螺旋度与条带呈强相关。螺旋度表征了粘性子层内的强旋转效应，对比之下，此处能量等经典物理量没有显著变化。这体现了螺旋度在相关动力学建模上的优势。并且，这揭示了旋转效应加剧了边界层最深处的由层流向湍流的流动失稳过程。在对数区，螺旋度的演化反映了旋转对展向涡扫掠以及湍流演化的抑制作用。整体来说，旋转效应一方面促进了边界层底部的流动失稳，却又阻止了流动整体湍流强度的进一步发展。螺旋度的应用揭示了旋转壁湍流中的新复杂流动机理，更为未来的针对性建模工作与流动控制研究提供了新思路。

中国科学院力学研究所博士研究生胡润宁为该论文第一作者,于长平研究员为通讯作者，合作者李新亮研究员。该研究得到了国家重点研发计划（2019YFA0405300，2020YFA0711800）和国家自然科学基金项目（12072349，12232018，91852203，12202457）的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1017/jfm.2024.37

图1 螺旋度分布与条带分布具有强关联，体现了在旋转壁湍流中近壁动力学建模的强优势：

（a）条带与涡结构分布；（b）条带与小尺度螺旋度分布

图2 旋转抑制了展向涡的发展，从而抑制了扫掠事件与湍流的进一步演化

（a-b）无旋转与有旋转下的涡结构对比（c）定量表征