成果速递：钱忠东教授团队发表旋涡-惯性颗粒耦合作用机制研究系列成果

近日，流体力学领域国际顶级权威期刊《Journal of Fluid Mechanics》以及《Physical Review Fluids》发表水资源工程与调度全国重点实验室钱忠东教授团队关于旋涡-惯性颗粒耦合作用机制研究系列成果，论文题目为“Trapping of inertial particles in a two-dimensional unequal-strength counter-rotating vortex pair flow”及“Trapping and leakage of heavy inertial particles in an unequal strength counter-rotating vortex pair”。团队博士后赵子龙为论文第一作者，钱忠东教授及清华大学左志钢副研究员为共同通讯作者，郭志伟副教授亦有重要贡献。

惯性颗粒在湍流中的非均匀聚集(Clustering)是自然界与工程中广泛存在的现象，如大气颗粒物沉降、云滴生长、及宇宙星体形成等。这一现象与湍流中多尺度涡结构的动力学密切相关。由于真实湍流结构复杂且具有强随机性，直接研究惯性颗粒-旋涡相互作用十分困难。因此，采用具有典型涡结构的简化模型来揭示惯性颗粒聚集的基本物理机制，成为该领域的重要研究范式。本研究主要聚焦于不等强度反向旋转涡对这一典型涡系构型，系统地研究了有限颗粒斯托克斯数及密度比条件下重惯性颗粒在反向涡对中的聚集和逃逸动力学特征。

（1）揭示了反向涡对中“颗粒吸引环”的捕获机制

采用奇异摄动理论解析发现：在反向涡对中，较弱旋涡涡核内存在闭合的“颗粒吸引环”，如图1。“颗粒吸引环”对应“吸引域”内的惯性颗粒均会被吸引，在吸引环区域形成稳定的颗粒聚集环(PCR)。该机制在势流以及粘性涡对中均被证实具有鲁棒性。

（2）建立惯性颗粒在反向涡对中聚集的临界判据

系统评估了不同参数条件下惯性颗粒在反向涡对中的动力学特征。首次构建了基于颗粒斯托克斯数St—密度比—涡对环量比的颗粒运动相图，明确颗粒在反向涡对中的聚集的临界条件：颗粒斯托克斯数，如图2;

（3）阐明了超临界状态下，颗粒的泄露与瞬态混沌

超临界状态下，“颗粒吸引环”与混沌鞍点重合，惯性颗粒经混沌鞍点在有限时间内发生逃逸（颗粒逃逸前仍在反向涡对中滞留一定时长）。研究发现颗粒滞留时间呈现指数型分布，且分布斜率随 R 增大而减小，揭示了惯性颗粒泄漏过程的瞬态混沌本质，以及对颗粒密度的依赖性。

该成果系统地揭示了惯性颗粒在反向涡对流场中的聚集和逃逸机制，并建立了惯性颗粒在涡对聚集的临界判据，相关结论进一步丰富了旋涡-惯性颗粒相互耦合作用的理论体系，具有重要的科学价值。为控制水力机械内部常见的由旋涡导致的局部泥沙磨损破坏提供了新的技术手段—“控涡减蚀”。通过控制旋涡结构，以实现其对泥沙颗粒的捕获，避免泥沙颗粒撞击水力机械过流部件表面而造成局部磨损。

图1 惯性颗粒在反向涡对流场中运动：(a)反向涡对中的“颗粒吸引环”；(b) 典型工况下“颗粒吸引环”的吸引域；(c) 典型工况下，惯性颗粒在吸引环影响下的聚集过程。

图2 反向涡对中颗粒聚集临界判据：，临界与颗粒密度比R保持线性关系。

图3 超临界状态下，惯性颗粒逃逸机制：(a)惯性颗粒由鞍点的有限时间逃逸过程；(b)逃逸颗粒迟滞时间空间概率分布；

论文链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.9.024307

https://doi.org/10.1017/jfm.2025.10876