西北工业大学郗恒东教授团队在《物理评论快报》发表亮点论文 揭示高聚物湍流能量耗散抑制极限

近日，我校极端力学研究院和航空学院郗恒东教授团队在物理学领域期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表了题为“高聚物湍流中耗散率抑制的最大极限”（Maximum Dissipation Reduction in Bulk Polymeric Turbulence）的研究论文。西北工业大学极端力学研究院和航空学院为论文第一署名单位。论文第一作者张亿宝为郗恒东教授的博士后（郗恒东教授2021届博士毕业生，现为清华大学能动系助理研究员）。西北工业大学极端力学研究院和航空学院郗恒东教授为论文的通讯作者。论文合作者包括郗恒东教授2025届博士毕业生王封和2023届博士毕业生彭盛宏。该论文被选为亮点论文在美国物理学会（APS）旗下的物理杂志（Physics Magazine）进行特别报道。

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在流体中加入微量长链柔性高聚物可显著降低壁面摩擦阻力，减阻效果高达80%，这在流动减阻、流动噪声控制等领域具有重要应用前景。在壁湍流中，随着浓度的增加，高聚物的减阻效果分为三个典型区间：阻力不变、减阻区和最大减阻区。在远离壁面的各向同性湍流中，高聚物的卷曲拉伸行为为流动带来新的能量传输机制，改变湍流能量从大尺度结构向小尺度结构传递的过程（Xi et al., Phys. Rev. Lett., 2013； Zhang et al., Sci. Adv., 2021）。然而，高聚物如何影响各向同性湍流的耗散机制和湍流结构，一直是学界未解之谜。

近期，郗恒东教授课题组结合理论分析和精细实验，解耦了高聚物湍流的两个重要控制参数，系统研究了湍流能量耗散的变化规律及湍流相干结构。研究团队采用自行设计搭建的冯卡门涡旋流动系统产生各向同性湍流，利用层析粒子图像测速技术，对实验装置中心区域进行了高精度测量。通过测量得到的三维速度，可以在不借助任何假设的情况下计算湍流能量耗散率和分析湍流结构。

研究发现随着高聚物浓度的增加，湍流耗散行为可分为两个阶段：耗散抑制阶段与最大耗散抑制阶段。在最大耗散抑制阶段，高聚物的影响范围扩展至积分长度尺度，而非传统理论所认为的Lumley尺度；另外，高聚物应力使得剪切层更为稳定，抑制了片状涡结构的自发卷起（roll-up），从而导致高聚物湍流主导的流动结构为片状涡结构。

该研究不仅挑战了传统理论中对高聚物影响的最大尺度的认知，也为高聚物在湍流中的优化应用提供了理论依据。研究成果对于理解高聚物湍流中的能量耗散与混合机制、指导工业流动控制与能源效率提升、验证和发展粘弹性流体数值模型具有重要的科学价值与工程意义。

随着高聚物浓度的增加，湍流能量耗散率呈现

两个区间——耗散率抑制区和最大耗散率抑制区，

且湍流结构从管状涡变为片状涡。

该工作得到了国家自然科学基金科学中心项目、国家杰出青年科学基金项目等的支持。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/vxvs-zdbt

（文字：张亿宝；图片：张亿宝；审核：索涛）