湍流结构的生成演化及作用机理是流体力学研究的重要问题之一。大尺度环流作为热湍流系统中的重要湍流结构，其流动方向的自发反转问题被研究者广泛关注。已有研究表明，在经典的瑞利-伯纳德热湍流系统中，大尺度环流的反转是由方形腔体中角涡的增长与重连所造成；而近期有学者通过实验研究观察到了在没有角涡的圆形热对流腔体内依然存在大尺度环流的反转，因此关于大尺度环流反转的机制有待进一步深入理解。

近日，极端力学研究院郗恒东团队徐翱副教授和郗恒东教授合作借助高分辨率、长时间的热湍流直接数值模拟得到了圆形热对流腔体内详细的流场演化过程，并进一步探究了其大尺度环流反转的机制。直接数值模拟结果表明，尽管圆形热对流腔体内没有方形腔体中所特有的角涡，但是在腔体由等温边壁转变为绝热边壁的位置产生了二次涡。这种二次涡的生成及进一步增长破环了已有的大尺度环流，在大尺度环流重新自组织的过程中，新生成的大尺度环流方向有可能与之前相反，即发生流动反转。研究者给出了瑞利数和普朗特数这两个流动控制参数空间中判断大尺度环流是否发生反转的相图。此外研究者发现，由于圆形热对流腔体比方形腔体几何对称性更高，如果已有的大尺度环流被破坏则较难形成新的大尺度环流，从而流动状态出现一种新的混沌状态。该项研究厘清了圆形热对流腔体内大尺度环流反转的机制，丰富了对于热湍流中大尺度环流流动结构的认识。

该研究成果以“Tristable flow states and reversal of the large-scale circulation in two-dimensional circular convection cells”为题发表于流体力学顶级期刊《Journal of Fluid Mechanics》。航空学院徐翱副教授为论文第一作者，博士生陈鑫为论文第二作者，郗恒东教授为通讯作者；西北工业大学为该论文的唯一署名单位。此项研究得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、“飞行器复杂流动与控制创新引智基地”的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1017/jfm.2020.964

（撰稿：陈鑫；审核：索涛）