多物理场耦合下湍流的热效应和耗散结构

Turbulence is a fundamental feature of high Reynolds number flows and is widely found in nature and in various technological processes. The turbulent motion of the fluid is not only confined to the complex velocity field structure, but it is often accompanied by the coupling with the temperature field, the density field, the electromagnetic field and the sound field. In this proposal, the turbulence heat convection and dissipative structures under multi-physical field coupling will be investigated by studying three different turbulent systems, including compressible turbulence, magnetohydrodynamic turbulence and ocean stratified turbulence. Through the implementation of this project, we seek to understand the transmission properties of the internal energy and temperature field for hydrodynamic and MHD turbulence under different compressibility, and understand the effect of non-ideal gas effect on shock wave structure and heat transfer process. The statistical properties of internal energy and temperature field in plasma turbulence and their relationship with various multiscale structures will be investigated. The relationship between the acceleration of charged particles and the coherent structure of different scales will be explored. We hope to reveal the physical mechanism of the internal wave breaking under different terrain conditions, enrich the understanding of the generation and dissipation of the turbulent structure in a stable stratified environment, obtain turbulent statistical properties applicable to the real marine environment, and understand how the turbulence mixing affects the transport capacity of the ocean circulation.

湍流是高雷诺数流动的基本特征，广泛存在于自然界和各种技术过程中。流体的湍流运动不仅局限于复杂的速度场结构，它往往伴随着温度场、密度场、电磁场、声场等多物理场的相互耦合作用。本项目通过对可压缩湍流、磁流体湍流和海洋分层湍流三个不同湍流系统的研究，进行理论分析、数值模拟和实验测量，研究多物理场耦合下的湍流热对流和耗散结构。通过本项目的实施，了解在不同可压缩性条件下，可压缩流体湍流和磁流体湍流内能和温度的多尺度传输性质，了解非理想气体效应对激波结构和热量传输过程的影响;掌握等离子体湍流中内能和温度的统计性质，及其和各种多尺度结构的关系，探索磁流体和等离子体湍流中带电粒子加速与不同尺度相干结构的关系;揭示内波在不同地形条件下破碎的物理机制，丰富人们对稳定分层环境下湍流结构的生成和耗散规律的认识，获得可适用于真实海洋环境的湍流统计特性，为湍流混合如何影响大洋环流的输运能力提供参考依据。

湍流是高雷诺数流动的基本特征，广泛存在于自然界和各种工程应用中。流体的湍流运动不仅局限于复杂的速度场结构，它往往伴随着温度场、密度场、电磁场、声场等多物理场的相互耦合作用。本项目通过对可压缩湍流、磁流体湍流和海洋分层湍流三个不同湍流系统的研究，进行理论分析、数值模拟和实验测量，研究多物理场耦合下的湍流热对流和耗散结构。我们深入研究了可压缩湍流中的能量、热量传输和耗散过程，以及相关的相干结构和间歇性问题，系统的研究了可压缩湍流的动能、温度和熵的多尺度传输过程，研究了化学反应放热、热非平衡态效应和均匀剪切等的影响。项目深入研究了磁流体湍流和等离子体湍流的热能传输、耗散结构及机制，包括磁流体和等离子湍流中的能量耗散通道和特征、可压缩磁流体中的湍流能量分配、驱动机制对磁流体能量传输的影响、磁流体湍流中磁力线的曲率场等。项目还研究了旋转密度分层环境下湍流结构的演化和耗散过程，并利用热对流系统这个简单模型研究了湍流混合对大洋环流动力学过程的影响，包括旋转分层湍流中的流动结构、跨尺度能量传输和动势能转换、热湍流中大尺度湍流结构的演化、热湍流中湍流结构对能量输运的影响等。项目执行期间共发表期刊论文76篇，其中SCI论文66篇，包括流体力学顶级期刊JFM论文19篇，Physical Review Fluids论文 13篇， Physics of Fluids论文15篇。培养博士后10名，博士2名，硕士7人。同时，项目组与国内外专家积极开展学术互访和合作交流,与国内外专家合作发表论文20多篇。项目组成员赴境外交流4次，参加国际学术会议20多人次，参加国内学术会议超过40人次，并共同组织AGU秋季年会专题研讨会（分会场）。项目负责人和团队成员多次被邀请在第三届亚太等离子体会议、2018年全国物理学会秋季年会、2021年全国力学大会等国内外会议做邀请报告。