近日，Science Advances《科學?進展》在線刊登了西北工業大學航空學院和極端力學研究院郗恒東教授課題組關于高聚物湍流（添加了高聚物的湍流）中能量傳輸的最新研究進展，論文的題目為“Experimental observation of the elastic range scaling in turbulent flow with polymer additives”（添加了高聚物的湍流中彈性標度律的實驗發現）。

高聚物已經被廣泛地運用于管道流動減阻、原油開采、水下航行器減阻降噪和提升航空燃油安全性等領域。上述工業運用的共同點是通過高聚物與湍流的相互作用改變流動結構，進一步改變流動對能量、動量和物質的輸運。因此研究高聚物與湍流相互作用的機理將為工業運用提供重要的理論支撐。然而即使是“最簡單”的均勻各向同性湍流，我們對其與高聚物相互作用的理解仍然十分有限。在均勻各向同性湍流中，能量從大尺度結構注入到系統中，然后一級一級向小尺度傳遞，直到最小的尺度上，能量通過粘性以熱量的形式耗散，這個過程被稱為湍流的能量級串過程。

郗恒東教授等人在先前研究工作（Xi et al,Phys. Rev. Lett., 2013）中發展了de Gennes的“能量平衡理論”，提出了“能量傳輸率平衡理論”，獲得了高聚物改變湍流能量級串過程的臨界尺度。小于臨界尺度上湍流能量級串將被高聚物“截斷”，但在這個被“截斷”的區間范圍內，能量究竟是如何傳輸的，至今仍不得而知。

針對這一問題，研究團隊在自行搭建的馮·卡門渦旋流動系統中，通過長時間粒子圖像測速獲得統計意義上大量的速度數據，他們發現在被高聚物“截斷”的區間范圍內速度的結構函數存在一個新的標度律區間：彈性區。在彈性區內，由于高聚物彈性勢能和流動動能之間的相互交換，能量傳輸率不再是一個常數，而是隨著尺度減小而減小，且與尺度滿足標度律關系，另外高聚物的添加并不會改變彈性區內能量傳輸率的間歇性。

圖注：純水和高聚物稀溶液中湍流的能量級串過程及其對應的二階縱向速度結構函數

該研究成果首次在實驗上回答了長期以來關于高雷諾數下高聚物湍流中是否存在新的標度律的問題，為后續的理論和模型研究奠定了堅實的實驗基礎。研究成果可以拓展到其他類似的涉及到能量級串和另一個對尺度有依賴關系的物理機制相互作用的系統，如涉及到電磁相互作用的等離子流動系統，或存在阿爾芬波（Alfven waves）的超流體系統等。

該工作是郗恒東教授課題組與清華大學燃燒能源中心和航天航空學院徐海濤教授和德國哥廷根馬克斯-普朗克動力學與自組織研究所的Eberhard Bodenschatz教授合作完成的。論文第一作者為西北工業大學航空學院博士生張億寶，西北工業大學為第一單位，郗恒東教授和徐海濤教授為論文共同通訊作者。此項研究得到了國家自然科學基金、中央高?；究蒲袠I務費、“飛行器復雜流動與控制創新引智基地”的支持。

來源：西北工業大學