在一项受地核转动启发所设计的实验中，“湍流”呈现出不同寻常的旋转状态
“湍流”是一种特定的流体运动状态，普遍存在于自然界和许多物理系统当中。从地球的液态地核，到炉上翻腾的沸水，这其中都能够观察到湍流现象。
上海纽约大学物理学与数学教授张骏团队近期于《美国国家科学院院刊》发表新研究，深入探析“湍流热对流”，即液体从底部被加热时所产生的流动现象。团队在实验中发现了一种特殊湍流的新状态，该成果有助于深入理解湍流现象，并对其在地核运动中所能发挥的作用带来启示。
本项研究中，团队重点关注关注瑞利-贝纳德热对流（Rayleigh–Bénard convection）——一种由温差驱动的对流。“我们的实验揭示了自由运动的物体与热对流之间的复杂互动”，论文资深作者张骏教授介绍道。本研究的另一成员为纽约大学物理专业博士生王凯哲。
本项研究的实验在华东师范大学-纽约大学物理联合研究中心（上海纽约大学）展开，团队将一个装满水的圆柱形容器从底部加热，制造出热对流。由此产生的湍流与在容器内与一个自由转动的悬浮固体（一块方形面板）相互作用，这一设置有助于更好地研究湍流与自由固体间的相互作用。
本次研究受到地球固态内核超旋转运动的启发，实验表明，当圆柱体中的湍流与自由物体相互作用时，水流和自由固体呈现出均匀的同步旋转状态。图中红色（暖流）和蓝色（冷流）色带代表水流的运动方向。供图：王凯哲、张骏。
张骏教授指出，“系统出乎意料地变得‘乖巧’和‘有序’起来。观察中，水流和自由固体都呈现出平滑的旋转状态。” 本次研究结果表明，受热对流驱动的水流结构可以和固体一起沿顺时针、逆时针两个方向转动，二者共同旋转的速度随着对流强度的增加而逐渐提升。不仅如此，二者的旋转方向有时可在湍流的影响下互相转换。
“这次研究的灵感来自地核。除了现在已知的一些因素，悬浮在液态核中心的固态内核与周围流体相互作用时，也许会产生类似的旋转。此项研究工作捕捉了湍流运动和其中自由固体之间的相互作用。”张骏教授说。“这些发现证实，湍流可以通过与固体的相互作用而受到控制。这也启示我们，热对流或许在地球内部发挥着更重要的作用。”
来源：上海纽约大学
