湍流，號(hào)稱經(jīng)典物理遺留的最后難題，是遠(yuǎn)離平衡態(tài)系統(tǒng)的典范。湍流的非平衡不可逆特征在湍流動(dòng)力學(xué)中扮演著至關(guān)重要的角色。在湍流最重要的物理圖像“能量級(jí)串”中，大渦旋逐級(jí)破碎成小渦旋，伴隨有能量的跨尺度單向流動(dòng)，表征著湍流動(dòng)力學(xué)的非平衡不可逆特性。然而對(duì)湍流的非平衡不可逆動(dòng)力學(xué)，仍然缺少整體的、定量的、物理本質(zhì)性刻畫。

近日，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所研究員汪勁與博士吳畏、張鋒，建立了一套具有整體特征的理論框架，定量刻畫湍流的非平衡不可逆動(dòng)力學(xué)本質(zhì)。該研究創(chuàng)造性地提出了“非平衡三位一體”這個(gè)由嚴(yán)密數(shù)學(xué)支撐的新物理概念，作為建構(gòu)理論體系的核心基礎(chǔ)。非平衡三位一體是由細(xì)致平衡破缺、非高斯勢(shì)能地貌、不可逆概率流這三個(gè)緊密關(guān)聯(lián)的要素構(gòu)成的統(tǒng)一整體，全面準(zhǔn)確地抓住了湍流動(dòng)力學(xué)的非平衡不可逆本質(zhì)。研究表明，非平衡三位一體展現(xiàn)在湍流現(xiàn)象的諸多重要方面：驅(qū)動(dòng)著湍流的非平衡流體隨機(jī)動(dòng)力學(xué)，衍生出湍流“能量級(jí)串”中標(biāo)志性的單向能量流，并反映在發(fā)達(dá)湍流著名的4/5定律中。

非平衡三位一體概念的圖像化表示。非平衡三位一體是由三個(gè)緊密關(guān)聯(lián)的要素構(gòu)成的統(tǒng)一整體，由細(xì)致平衡破缺（頂部）、非高斯勢(shì)能地貌（左下）、不可逆概率流（右下）構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)著湍流的非平衡不可逆動(dòng)力學(xué)（背景）

這些理論發(fā)現(xiàn)不僅在基礎(chǔ)層面上對(duì)湍流動(dòng)力學(xué)的物理本質(zhì)提供了新的見解，并且在超出流體力學(xué)范疇的非平衡隨機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)中有潛在的應(yīng)用。該成果發(fā)表于Annals of Physics, 2018, 389, 63-101。

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