流體中顆粒的布朗運動是生物和物理系統(tǒng)中常見的集體行為。在一個關(guān)于科學進步的新報告中，李啟沖和中國物理學，工程學和航空航天工程學的研究團隊進行了實驗和數(shù)值模擬，以顯示渦旋的運動如何類似于慣性布朗粒子。在實驗過程中，旋轉(zhuǎn)的湍流對流渦流使顆粒首先在直接行為過渡的關(guān)鍵時刻彈道運動，然后在關(guān)鍵時間之后擴散擴散-無需經(jīng)歷流體動力記憶機制。這項工作意味著對流渦流具有慣性誘發(fā)的記憶，因此它們的短期運動首次在布朗運動的框架內(nèi)得到了明確定義。

布朗運動

愛因斯坦(Albert Einstein)于1905年首次提出了布朗運動的理論解釋，其中花粉顆粒在熱浴中運動，這種現(xiàn)象現(xiàn)在已成為自然界中廣泛發(fā)生的隨機過程的常見例子。1908年晚些時候，保羅·蘭格文(Paul Langevin)注意到了粒子的慣性，并預(yù)測它們的運動將在短時間內(nèi)成為彈道運動，并在特定的時間軸后變?yōu)樯⑸溥\動。但是，由于這種轉(zhuǎn)變的迅速性，花了一個多世紀使研究人員能夠直接觀察到這種現(xiàn)象。然而，在液體系統(tǒng)中未觀察到蘭格文預(yù)測的“純”布朗運動，并且該轉(zhuǎn)變跨越了很寬的時間范圍。由于流體動力記憶效應(yīng)，發(fā)生了緩慢而平穩(wěn)的過渡，最終產(chǎn)生了長程相關(guān)性?？茖W家此前曾觀察到在多個系統(tǒng)中的水動力記憶效應(yīng)，包括膠體懸浮液，懸浮在空氣中的顆粒和捕獲在光鑷中的顆粒。在這項工作中，Chong等。首次展示了高連通性流動中的渦流如何作為慣性粒子來執(zhí)行純布朗運動，而不受流體動力效應(yīng)的影響。他們使用Q準則(渦流識別方法)識別并提取了渦流。這項工作將幫助他們預(yù)測天文學和地球物理系統(tǒng)在特定時間段內(nèi)的渦旋運動。

旋轉(zhuǎn)羅利·伯納德對流和渦的水平運動

天體物理和地球物理研究中存在的一項挑戰(zhàn)是預(yù)測特定時期內(nèi)渦旋的運動。崇等。我們使用一個模型系統(tǒng)研究了稱為Rayleigh Benard(RB)對流的對流中的渦流，該流包括固定高度的流體層，該流體層從下方加熱并從上方冷卻，同時圍繞垂直軸以角速度旋轉(zhuǎn)。當熱驅(qū)動足夠強時，系統(tǒng)中的溫度差會使對流的流量不穩(wěn)定?？茖W家使用三個無量綱參數(shù)來表征流動動力學，包括瑞利數(shù)(Ra)，普朗特數(shù)(Pr)和?？寺鼣?shù)(Ek)。在旋轉(zhuǎn)的情況下，渦旋結(jié)構(gòu)作為流體包裹螺旋上升或下降而出現(xiàn)。由于它們在動量和熱傳遞中的重要性，研究人員繼續(xù)對其進行研究。

崇等。首先通過一系列快照跟蹤渦旋的位置變化來研究渦旋的運動。他們使用均方位移(MSD)表征了渦旋的統(tǒng)計行為。不同Ek和Ra的MSD值表現(xiàn)出相似的行為，表明旋渦運動在很短的時間內(nèi)從彈道運動轉(zhuǎn)變?yōu)閿U散運動。這種轉(zhuǎn)變類似于在熱浴中的布朗運動。因此，科學家將渦旋視為布朗粒子，并通過求解朗文方程來描述其運動。獲得他們的MSD。結(jié)果暗示了Ra和Ek的渦旋運動具有相似的動力學，表明渦旋表現(xiàn)出“純布朗”行為。在對流系統(tǒng)中，渦流攜帶的流體包裹比周圍的流體溫度高和低。實驗中溫度變化引起的相對較小的密度差導致了明顯的彈道行為。

渦流分布

盡管有類似布朗運動，但渦流的空間分布并不是隨機的，并且表現(xiàn)出圖案化的結(jié)構(gòu)，這是科學家使用幾種旋轉(zhuǎn)速率的快照獲得的。隨著埃克曼數(shù)(Ek)的變化，渦旋分布發(fā)生了一些變化。首先，渦旋的數(shù)量隨旋轉(zhuǎn)速度的增加而增加，因此最初稀釋且隨機分布的渦旋變得高度集中和聚集。旋渦數(shù)密度隨轉(zhuǎn)速的增加也與以前的研究一致。接下來，當旋轉(zhuǎn)速度變得足夠高時，它們形成渦流格柵結(jié)構(gòu)。當崇等。放大到一個局部區(qū)域以觀察最高的旋轉(zhuǎn)速度，他們觀察到了這種渦流格柵結(jié)構(gòu)的規(guī)則圖案。渦流的紅色區(qū)域形成了方格，并且在藍色之間的局部區(qū)域顯示出高應(yīng)變行為。該團隊將工作中觀察到的正方形圖案歸功于不同的邊界設(shè)置和控制參數(shù)。

盡管在時域中有隨機運動，但渦流顯示出特定的空間順序，這導致了明顯的矛盾。崇等。在慢速和快速旋轉(zhuǎn)過程中觀察到了渦流的軌跡。但是，旋渦的傳播距離不足以“看到”或與其他旋渦相互作用。他們將漩渦的空間順序歸因于兩個動力學過程之間的競爭，這兩個過程分別以漩渦的弛豫時間尺度和布朗時間尺度為特征。

這樣，Kai Leong Chong及其同事展示了旋轉(zhuǎn)熱對流中渦旋的運動如何類似于執(zhí)行布朗運動的慣性粒子。運動經(jīng)歷了從彈道到擴散區(qū)的急劇轉(zhuǎn)變，而沒有經(jīng)歷中間的流體動力存儲區(qū)。Paul Brownevin首先預(yù)測了純布朗運動的觀測，盡管在實踐中液體系統(tǒng)中的慣性粒子以前并未觀測到。這項工作強調(diào)了現(xiàn)有的經(jīng)典理論工作，這些工作表明被動痕跡如何表現(xiàn)出從彈道到擴散行為的轉(zhuǎn)變，類似于本研究的實驗觀察。觀察到的純布朗運動也表明了水動力記憶效應(yīng)的微不足道。崇等。認為由于科里奧利力與自然現(xiàn)象中渦旋形成的相關(guān)性，包括大氣中的熱帶氣旋，海洋渦旋和木星中長壽的巨大紅色斑點，科里奧利力在研究過程中具有相關(guān)性。這些發(fā)現(xiàn)將影響天體物理學，地球物理學和氣象學的許多情況。