深入理解空气污染物和沙尘暴等现象，需要系统性地研究颗粒在湍流环境中传输与沉积机制。大气湍流包括由风速梯度引起的剪切湍流和由温度差异引起的热湍流，是水平剪切和垂向浮力协同作用的结果。近日，西工大航空学院/极端力学研究院徐翱等人聚焦于Couette-Rayleigh-Bénard (CRB) 流动系统，揭示了剪切热湍流中颗粒的输运与沉积规律。研究团队采用直接数值模拟（DNS）方法，分析了不同Stokes数颗粒在Rayleigh数（Ra）10⁷≤ Ra ≤ 10⁹ 以及壁面剪切雷诺数（Re_w）0 ≤ Re_w ≤ 12000 条件下的动力学行为。研究团队发现中等Stokes数的颗粒表现出显著的空间不均匀性和优先聚集现象，并解释了颗粒倾向于在大尺度环流上升气流区域聚集的物理机制。对于在大尺度环流中运动的颗粒，当它们跟随下沉气流接近底部边界时，会被快速流动的环流边缘带到上升气流区域。在这些区域羽流从边界层脱落、生成及上升，形成低速流动的区域，使得颗粒的运动速度减小，从而在上升气流区域形成局部高浓度的带状结构。

此外，研究团队提出了数学模型用于描述中等Stokes数颗粒的沉积过程。该模型包含初始线性阶段和随后的非线性阶段。在初始线性沉降阶段，位于流场底部以及下沉气流区域的颗粒率先沉降。后期的非线性沉降阶段则描述了位于环流中心和上升气流区域的颗粒以循环随机沉降的方式逐渐沉积。模型中的未知参数可以通过沉降曲线的最小二乘拟合或基于经验关系来确定。与现有DNS结果的对比表明，该模型能够精确预测不同Stokes数颗粒的沉降速率和滞留时间。

本研究为水平剪切和垂向浮力协同作用下颗粒动力学行为的理解提供了新的见解，并为大气环境中颗粒物的传输过程提供了理论支持，例如空气污染物和沙尘暴等现象中的颗粒输运。该研究成果以“Particle transport and deposition in wall-sheared thermal turbulence”为题发表于流体力学顶级期刊《Journal of Fluid Mechanics》，论文的第一作者为徐翱副教授，合作者包括研究生许本瑞以及郗恒东教授（通讯作者）。西北工业大学为该论文的唯一署名单位。该研究得到了国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程、飞行器复杂流动与控制学科创新引智基地的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1017/jfm.2024.936

（撰稿：许本瑞，审核：郗恒东）