渦漂移（vortex wandering）是旋轉(zhuǎn)流體系統(tǒng)中普遍存在的重要非穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，表現(xiàn)為渦核在幾何中心附近發(fā)生隨機(jī)周期性偏移。盡管整體渦結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，這種偏移會引發(fā)局部速度與壓力擾動，影響旋流場的整體穩(wěn)定性。渦漂移不僅在基礎(chǔ)流體力學(xué)研究中具有重要意義，也與自然和工程系統(tǒng)密切相關(guān)。在自然界中，它會影響龍卷風(fēng)等強(qiáng)旋渦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及演化過程；在工程領(lǐng)域中，則會顯著影響旋風(fēng)分離器、旋流器等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的分離效率與運(yùn)行性能。然而，由于渦漂移的低頻、弱信號特征，其主導(dǎo)動力結(jié)構(gòu)及拓?fù)涮卣魑幢怀浞纸沂尽?/p>

針對此問題，GEE團(tuán)隊構(gòu)建了高度可控的旋流實驗系統(tǒng)，利用高時間分辨率PIV技術(shù)獲取瞬時速度場數(shù)據(jù)，并將稀疏促進(jìn)動態(tài)模態(tài)分解方法應(yīng)用于旋流系統(tǒng)的低頻結(jié)構(gòu)提取。從實驗層面識別出渦漂移的主導(dǎo)動力模態(tài)，揭示了該低頻行為的空間結(jié)構(gòu)、頻譜特征及其隨渦流比變化的系統(tǒng)演化規(guī)律。

研究發(fā)現(xiàn)，渦漂移模態(tài)呈現(xiàn)典型的反對稱雙渦結(jié)構(gòu)，其旋轉(zhuǎn)方向與主渦一致，能夠有效驅(qū)動渦核的偏移行為。隨著渦流比增加，漂移模態(tài)的能量占比逐漸減弱，其空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從清晰穩(wěn)定逐步過渡為碎裂態(tài)，反映出旋流系統(tǒng)從高有序狀態(tài)向高湍動狀態(tài)的演化趨勢。本研究進(jìn)一步建立了渦漂移主導(dǎo)模態(tài)與旋流有序性之間的聯(lián)系，為深入理解旋流系統(tǒng)的穩(wěn)定性、以及自然與工程渦旋中低頻非穩(wěn)態(tài)行為的動力機(jī)制提供了新的實驗依據(jù)。

該研究以“Experimental Investigation of Vortex Wandering Dynamics in Single-Cell Tornado-Like Vortices”為題發(fā)表于劍橋大學(xué)出版社旗下流體力學(xué)權(quán)威期刊Journal of Fluid Mechanics。論文第一作者為蘭州大學(xué)青年研究員張宇萌，通訊作者為王博教授。該研究得到國家自然科學(xué)基金（52400130）的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1017/jfm.2025.10862.

編輯：王文樂

責(zé)編：彭倩