潘定一教授課題組在《Journal of Fluid Mechanics》發表最新成果：揭示重力流界面演化機理
研究背景 重力流廣泛存在于自然環境中，是由溫度、鹽度或懸浮顆粒引起密度差而驅動的流動現象，典型案例包括深海陸坡濁流、河口鹽水入侵以及大氣沙塵暴等。這類流動的核心物理機制之一是坍塌階段的速度維持能力，其強弱直接決定物質輸運的距離。已有研究表明，重力流在坍塌階段的無量綱前進速度幾乎不受驅動源類型影響，但沉降顆粒的非保守性會削弱驅動力，進而影響速度維持機制，而相關物理過程尚未得到充分解釋。本研究聚焦鹽度與懸浮顆粒共同驅動的雙驅重力流，深入分析其動力演化過程，并探討流動從鹽度主導向顆粒主導轉變的機制。此外，重力流分層的上界面與環境流體的剪切作用會誘發 Kelvin-Helmholtz (KH) 渦旋（圖1），促進兩種流體間的混合。然而，顆粒對重力流界面動力過程的影響機制仍不明確。厘清上述兩種機制，對于理解自然環境中物質輸運與沉積過程，尤其是海洋與河口區域的動力學演化，具有重要科學意義。
研究方法 研究團隊基于開源CFD平臺OpenFOAM開發了高精度和高分辨率的DNS-DEM（直接數值模擬-離散元）耦合模型。該模型通過DNS求解流體力學方程，結合DEM追蹤顆粒運動，同時引入鹽度對流-擴散方程，實現互溶流體動力學與離散顆粒運動的同步模擬。為驗證模型可靠性，研究首先模擬顆粒群在分層流體中的沉降過程，并分析其對局部密度結構及流體混合程度的影響，從而確認模型在顆粒-流體相互作用方面的精確模擬能力。
圖1 重力流的界面KH結構。
研究成果一 通過調控鹽度與顆粒對水平壓強梯度的相對貢獻比，研究系統模擬了不同驅動條件下重力流的演化過程。結果顯示，在加速階段及坍塌階段前期，重力流的速度變化與驅動貢獻比關聯較弱；隨著顆粒貢獻增加，顆粒沉降效應增強，坍塌階段持續時間顯著縮短。坍塌階段的速度維持與界面KH不穩定性密切相關。顆粒主導的流動更易發生界面失穩，生成KH渦旋結構。進一步分析表明，顆粒沉降會削弱界面層化，增強剪切不穩定性，進而激發KH渦旋，渦旋又增強混合并促進流體稀釋，從而進一步加速顆粒沉降。這一過程構成閉環型正反饋機制，為重力流提供持續能量補償，使顆粒主導的流動在速度維持方面與鹽度主導流動無明顯差異。
圖2 鹽度-顆粒雙驅重力流演化中鹽度空間分布（顏色表示）以及顆粒流輪廓（黑線）。自左向右，顆粒對水平壓強梯度的相對貢獻比逐漸增大。
研究成果二 研究發現，顆粒重力流界面失穩的實際閾值略高于經典Richardson數=1/4的判據，這是顆粒動力學調制的結果。KH渦旋的空間合并呈現連續“辮狀”拓撲；能量耗散在界面渦旋演化的早期與后期以剪切耗散為主，而在中期則以法向耗散為主。雷諾數升高會增多并增強KH渦旋，促進顆粒懸浮與流向輸運，從而延長坍塌階段。
圖3 不同計算域寬度下顆粒重力流的三維渦結構演化：(a) t = 3.0時刻；(b) t = 4.2時刻
研究意義 該研究系統揭示了鹽度-顆粒雙驅重力流的轉變及正反饋機制，闡明了顆粒重力流界面KH渦旋的形成與演化規律。研究成果為海底濁流災害預警、河口泥沙輸移預測及生態系統動力學建模等工程實踐提供了理論支持和模擬工具，有望在海洋工程與環境保護等領域發揮作用。
該工作以《Transition regimes of gravity current: from salinity-driven to particle-driven》和《Coupling regimes between particles and Kelvin-Helmholtz billows in turbidity currents at moderate Reynolds number》兩篇論文發表于國際流體力學權威期刊《Journal of Fluid Mechanics》。論文由浙江大學航空航天學院謝佳烽博士為第一作者，潘定一教授為通訊作者，海洋學院胡鵬教授為合作作者。研究獲得中國博士后科學基金（編號：2024M752777，GZB20240656）、國家自然科學基金（編號：12222211，12172331）和浙江省自然科學基金（編號：LZ25A020005）資助。 |
