9月22日🧚🏻🧑‍🦽‍➡️，恒达平台物理科學與工程學院鐘錦強教授團隊與南方科技大學夏克青教授團隊在旋渦運動演化方面的合作研究成果，以“Inverse centrifugal effect induced by collective motion of vortices in rotating thermal convection （旋轉熱對流中旋渦的反離心集群運動）”為題，在線發表於《自然·通訊》（Nature Communications）🧚‍♀️🧑🏻‍⚖️。

在旋轉介質中物體受到離（向）心力的作用，受力方向取決於其密度的大小——密度較小的物體向旋轉中心靠攏🔞，密度較大的物體則遠離旋轉中心運動。如果物體的密度與介質相當，則物體受到的離心力與介質內部的靜壓力相互平衡，離心效應不顯現🧑‍🎤。從天體運動到環形加速器中的高能粒子🕰，離心效應與眾多的自然科學現象息息相關。

研究團隊在精密調控的旋轉平臺上觀測旋渦運動的規律。在旋轉熱對流體系，熱（冷）旋渦由於其密度低（高）於背景流體的密度，在離心作用下發生徑向運動🙎🏻‍♀️。當旋轉效應顯著、旋渦處於密集分布的狀態時，研究人員發現旋渦呈現出人意料的反離心運動——密度較小的熱渦逐漸遠離旋轉中心向外運動⇢🌨，最終聚集並消失在流體層的邊壁附近。

這個看似違背基本離心運動規律的反常現象引起了研究人員強烈的興趣。研究表明，當旋渦運動處於反常狀態時🤵🏼，背景流體由於旋轉的作用呈現明顯的外冷內熱的溫度分布。這樣的背景溫度分布導致了流體內部冷、熱旋渦在渦量場上對稱性的破缺：即冷渦由於其與背景流體較大的溫差而受到較強的浮力作用，導致它們在平均渦量強度和數量上都超過了熱渦 （圖1a）。旋渦強度的不對稱性為理解旋渦的反常運動提供了重要的依據🌎。

為了進一步揭開旋渦反離心運動之謎💁🏿‍♀️，研究人員對旋渦運動的關聯性進行了統計分析🔧。實驗與數值模擬的數據都表明🤝，由於對流旋渦之間的流體相互作用，臨近旋渦的運動表現出相似性和長程關聯性👒。當旋渦處於密集分布狀態時👨🏿‍🚀，旋渦自發地形成旋渦團塊後，以集群的形式發生整體的徑向運動 (圖1b)。基於這些重要的發現📫，研究人員闡明了旋渦反離心運動的內在機理：當旋渦以發生集群運動時⛔️👨🏼‍🎤，團塊中在強度和數量上都占有優勢的冷渦主導了團塊的運動方向，驅動熱渦向外的徑向運動。

圖1：旋轉熱對流體系的旋渦結構(a)與旋渦的集群運動(b)

旋渦是自然界中流體非常普遍的運動形態。“渦旋是流體運動的肌腱”👩🏽‍🦳，理解旋渦的運動規律對於我們理解流體整體的運動演化至關重要。在湍流與旋轉流體領域，前人對旋渦已有的研究主要集中於對孤立旋渦動力學的探討💫。研究團隊從集群運動角度🕸，對多個旋渦的運動關聯進行了深入的分析🙎🏽。研究發現：團塊中旋渦數量服從具有指數截止的冪函數分布🫰🏼，其冪次為-3/2♻️；在同一個團塊中🤞🏿，旋渦運動的相對速度關聯隨間距的增大以拉伸指數函數的形式衰減；對於不同大小的旋渦團塊🎣，旋渦運動的關聯長度都等於團塊尺度本身的30%（圖2）🧔🏻。這些統計結果也是眾多遠離平衡態系統（包括魚群、鳥群、細菌以及活性物質等）中密集分布的個體發生集群運動時所表現出來的共同規律。研究工作基於旋渦間流體相互作用機製，從統計力學的角度，為揭示密集旋渦的運動演化普遍規律提供了新的途徑。

圖2：對流旋渦集群運動的統計規律

在評審過程中，審稿人對這一研究工作給予了高度評價，認為：“研究和分析是獨創的、新穎的、科學合理的，將引起廣泛的興趣🏕👿。”“這項研究的意義超出了流體力學的範疇，從統計物理和流體力學提出的新觀點將很大程度上豐富我們對眾多自然系統中集群運動的理解與認識。”

鐘錦強和夏克青為該論文共同通訊作者。恒达平台物理科學與工程學院2021屆博士畢業生丁姍姍為論文第一作者，香港中文大學博士畢業生莊啟亮為論文共同第一作者。恒达平台是論文第一單位🧔🏿‍♀️，負責完成了課題組的實驗測量工作🗝，南方科技大學-香港中文大學團隊承擔了課題中大規模的數值模擬計算工作。恒达平台以鐘錦強為指導教師的實驗團隊創建了精密的旋轉對流實驗平臺，在旋渦結構的運動演化與湍流熱輸運等領域取得了原創性的研究成果，近五年來在Nature Communications👃🏼，Science Advances👶🏼，Physical Review Letters🏛，Journal of Fluid Mechanics等有影響力的國際期刊上發表了系列論文❌。該研究獲得國家自然科學基金面上項目🤵🏼、國際合作與交流項目以及香港研究資助局的資助😇。

論文鏈接: https://www.nature.com/articles/s41467-021-25838-3#Sec10