热对流现象在自然界和生产生活中普遍存在，比如：在自然界中引起天气、气候变化的大气环流、海洋环流，引起大陆板块漂移的地幔对流，决定地磁场产生和变化的外地核对流等；在日常生活中的烧开水以及室内供暖；在工业生产中影响晶体生长和金属制备过程中的对流、核反应堆内部的对流、天然气运输存储过程中可能会引起安全隐患的热对流以及液态金属电池上层液态金属中产生的热对流等等。以上提到的很多热对流现象比如大气对流、海洋对流、地幔以及外地核中的对流、液态金属电池中的热对流等，系统的横向尺寸与纵向（温度差施加方向）尺寸之比（宽高比Γ）远大于1，这些热对流系统被称为大宽高比的热对流系统。大宽高比热对流系统广泛存在于自然界以及生产生活之中，因此研究大宽高比下（宽高比大于1）的热对流特性具有非常重要的意义。在湍流状态下的热对流系统中，以往的研究对宽高比Γ等于2这一临界宽高比下的热湍流系统中的流动结构还没有统一的认识：早期的局部速度测量和数值研究表明该系统中的流动结构是大尺度单环结构；后来的一些研究发现大尺度单环结构在Γ=1.68附近破裂成双环结构；近期又有学者通过结合局部速度测量实验和数值模拟提出Γ=2中存在一种新的热湍流结构——“跳绳涡（jump rope vortex）”。因此，Γ=2这种扁平热湍流系统中流动到底是何种结构以及如何随时间演化亟待进一步的探索与理解。

近日，航空学院和极端力学研究院郗恒东教授课题组通过高分辨率的粒子图像测速技术长时间测量了多个平面内的二维速度场，巧妙地经过相位平均首次明确给出了宽高比为2的热湍流系统中流动结构随时间的演化呈现出周期性“涡心运动”的特性——即流场跟小宽高比系统中类似，表现为大尺度单环结构，但单环结构的涡心沿着与大尺度环流运动相反的方向做偏心运动，不同平面内的偏心距离有所不同但整个涡心的连线与之前研究提出的“跳绳涡”结构一致。该项研究不仅揭示了热湍流系统中近期提出的所谓“跳绳涡”这一结构的本质，并统一了对扁平热湍流系统（Γ=2）中流动结构的认识。

该研究近日以“Counter-flow orbiting of the vortex centre in turbulent thermal convection”为题发表在流体力学顶级期刊《Journal of Fluid Mechanics》上（J. Fluid Mech. (2022), vol. 935, A19, https://doi.org/10.1017/jfm.2022.11）。该论文的第一作者为航空学院博士研究生李贻镇，第二作者和第三作者为课题组博士后陈鑫和徐翱副教授，通讯作者为郗恒东教授。该论文西北工业大学为唯一单位。该研究得到了国家自然科学基金委和“飞行器复杂流动与控制创新引智基地”的资助。

（作者：李贻镇，审核：索涛）