刻畫湍流的非平衡不可逆本質研究獲進展

湍流，號稱經典物理遺留的最後難題，是遠離平衡態系統的典範。湍流的非平衡不可逆特徵在湍流動力學中扮演著至關重要的角色。在湍流最重要的物理圖像「能量級串」中，大渦旋逐級破碎成小渦旋，伴隨有能量的跨尺度單向流動，表徵著湍流動力學的非平衡不可逆特性。然而對湍流的非平衡不可逆動力學，仍然缺少整體的、定量的、物理本質性刻畫。

近日，中國科學院長春應用化學研究所研究員汪勁與博士吳畏、張鋒，建立了一套具有整體特徵的理論框架，定量刻畫湍流的非平衡不可逆動力學本質。該研究創造性地提出了「非平衡三位一體」這個由嚴密數學支撐的新物理概念，作為建構理論體系的核心基礎。非平衡三位一體是由細緻平衡破缺、非高斯勢能地貌、不可逆概率流這三個緊密關聯的要素構成的統一整體，全面準確地抓住了湍流動力學的非平衡不可逆本質。研究表明，非平衡三位一體展現在湍流現象的諸多重要方面：驅動著湍流的非平衡流體隨機動力學，衍生出湍流「能量級串」中標誌性的單向能量流，並反映在發達湍流著名的4/5定律中。

這些理論發現不僅在基礎層面上對湍流動力學的物理本質提供了新的見解，並且在超出流體力學範疇的非平衡隨機動力系統中有潛在的應用。該成果發表於Annals of Physics, 2018, 389,63-101。

圖：非平衡三位一體概念的圖像化表示。非平衡三位一體是由三個緊密關聯的要素構成的統一整體，由細緻平衡破缺（頂部）、非高斯勢能地貌（左下）、不可逆概率流（右下）構成，驅動著湍流的非平衡不可逆動力學（背景）

來源：中國科學院長春應用化學研究所

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