[论文解读] Critical behavior and multistability in quasi-two-dimensional turbulence

Emil Varga, Filip Novotný+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2024

Fluid Dynamics and Turbulent Flows被引用 4

一句话总结

本研究通过纳米流体通道中周期性驱动的超流氦，实验研究了准二维湍流中的临界行为与多稳态。通过观测分岔的级联与态寿命的幂律标度，作者证明了大尺度涡度转变表现出类似于驱动多体系统相变的临界现象，即在控制参数发生微小变化时，流场结构出现突变。

ABSTRACT

Complete dataset and tools to generate figures in the publication. See README.md for additional details on how to use the dataset.

研究动机与目标

• 研究准二维湍流中临界行为与多稳态的出现。
• 检验大尺度涡度构型在控制参数微小变化下是否发生突变。
• 确定过渡动力学是否类似于驱动多体系统中的非平衡相变。
• 探讨量子涡旋与互摩擦在介导大尺度流动不稳定性中的作用。
• 表征亚稳态的统计特性，包括寿命分布与临界指数。

提出的方法

• 实验在纵横比约为 ~2000D × 2000D × D（D ≈ 500 nm）的纳米流体亥姆霍兹共振腔中进行，工作流体为超流 4He。
• 铝涂层壁面的电容式驱动与传感技术实现了对超流速度与涡旋密度的精确控制与测量。
• 通过周期性驱动诱导振荡流，利用不同通道几何结构（角部、射流、网格与圆角）调节强迫长度尺度。
• 动力学通过包含互摩擦项的超流动量方程建模，其中 α-摩擦模拟大尺度黏性阻尼，α′-摩擦则类似于科里奥利力。
• 测量了施加压力梯度下涡旋线密度与流速的关系，数据在多个温度（1.3–1.85 K）下采集。
• 分析了间歇切换态中湍流态的寿命统计，以提取临界指数并检验无记忆切换行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 准2D湍流的过渡是否表现出类似于驱动多体系统中相变的临界行为？
• RQ2 在低摩擦与小强迫尺度下，大尺度涡度结构的级联分岔如何表现？
• RQ3 亚稳态流动态的统计特性是什么？其寿命是否服从幂律或指数分布？
• RQ4 观测到的临界指数在多大程度上与非平衡相变理论预测一致？
• RQ5 该系统是否对驱动参数的微小变化表现出突变且多稳态的响应？

主要发现

• 随着控制参数（驱动压力梯度）变化，系统在大尺度涡度中表现出鞍结分岔的级联，表明多稳态的形成路径。
• 上湍流态的寿命遵循约 -3 的临界指数，显著陡于下湍流态的 -1.33 指数，表明存在不同的临界动力学。
• 下态寿命分布为指数分布，表明切换过程无记忆性，与泊松统计一致。
• 涡旋线密度随流速增加，速度-涡旋密度曲线中的滞后回线证实了多个亚稳态的存在。
• 观测到的临界行为与随机组织及非平衡相变模型一致，特别是涉及定向渗流或吸收态的模型。
• 涡旋重连模拟表明，涡旋-反涡旋对在约 ~40 μs 内相互湮灭，证实了在振荡时间尺度上流动的准二维特性。