近期，《Phys. Rev. Fluids》杂志以快报(Letter)的形式刊登了清华大学孙超教授科研团队关于决定稳定态时冰水界面复杂形貌特征的物理原因的研究进展，论文题为“Ice front shaping by upward convective current”。

　　这项研究深入探索了影响冰水界面形貌的物理机制。研究发现：热浮力驱动力强度以及温度梯度和重力方向夹角是冰水界面形貌特征的主要决定因素，与传统的对流系统不同，在垂直对流系统中，系统内存在两个旋转方向相反的对流涡相互竞争，使得冰水界面发生相应于不同竞争关系下对流涡的形貌特征。这项研究重点对比了不同热浮力驱动强度下的固液界面形貌特征，同时系统地展示了冰形貌特征在不同梯度和重力方向夹角的条件下的演化特征。

　　为从定量角度揭示冰水界面形貌特征的决定因素，建立了两个物理模型，可以分别给出解释冰水界面的重要形貌特征的依据：1）通过建立边界层模型，可以预测冷羽流产生段冰的演化特征，主要建模理念为：通过观察流场的特征，发现冰附近存在向上发展的热边界层，因此在冰锋面附近的0-4℃ 温度等值线之间的流体可以分为热边界层区域和流动的主体区，同时在冷羽流产生及发展阶段冰锋面曲率较小，故平板边界层理论仍成立，当对流系统达到稳定状态时，冰内和边界层内为导热模式，存在热流守恒关系，即通过冷板边界的热流等于通过冰锋面的热流，由此可以得出相应的预测模型；2）通过建立浮力强度模型（见图 11），可以预测冰厚度的极大值点所对应的位置，主要建模理念为：冰存在最厚的位置是由于两个相反旋转的对流涡的相互竞争，对比两个对流涡的浮力强度的相对大小，可以得到相应的预测模型。

　　这项研究对于地球物理和气候科学领域的相变和湍流耦合下形貌特征的深入理解具有重要意义，尤其是在很多实际应用场景下，温度梯度的方向和重力方向存在一定的夹角情况下，复杂固液界面形貌特征的预测具有重要意义。以上研究获得国家自然科学基金基础科学中心项目“非线性力学的多尺度问题研究” (基金号11988102) 资助。论文链接：

　　https://journals.aps.org/prfluids/abstract/10.1103/PhysRevFluids.6.L091501。

图 11: 浮力强度模型。（a）浮力强度模型概念图；（b）数值模拟和模型预测结果对比。