《J. Fluid Mech.》刊登了上海大学周全科研团队赵超本等人关于非均匀加热对热湍流系统中流动反转控制及其机理的研究工作，论文题为 “Suppression of flow reversals via manipulating corner rolls in plane Rayleigh–Bénard convection”。该工作探究了非均匀加热对流动反转现象的影响规律，揭示了非均匀加热抑制角涡的发展，实现流动反转控制的物理机制。

　　热湍流现象普遍存在于自然界和实际工程中，热湍流结构的控制是湍流研究的核心和难点问题。Rayleigh-Bénard（RB）系统是研究热湍流问题的经典模型。在RB系统中，大尺度环流结构主导着湍流输运过程。近年来，研究发现大尺度环流结构会出现反转现象（图10），而这种反转现象会引起湍流输运的剧烈变化，在工程中也会带来潜在的安全隐患。因此，实现流动反转的控制具有重要的科学和工程意义。

　　在二维/准二维RB系统中，流动反转的成因主要有两个：一是由于大尺度环流结构自身的不稳定性而产生的；二是由于角涡的不断发展而引起的。图10-I展示了由于角涡的发展而引起的流动反转过程。本研究针对这种角涡引起的反转现象，提出了通过非均匀加热实现对流动反转的控制方法。基于直接数值模拟结果，采用全局角动量的时间演化来定量刻画大尺度环流结构的反转过程（图10-II），并研究了不同振幅A情况流动反转频率与非均匀加热波数k的依赖关系：如图10-III(a)所示，对于较大的k，反转频率接近于标准RB系统的反转频率；随着k的减小，反转频率逐渐降低；继续减小k，反转频率甚至接近于零，说明在k足够小的情况下流动反转可以被完全抑制。这是因为非均匀加热引起的水平对流作用，抑制了角涡的增长，增强了大尺度环流的稳定性，从而实现了流动反转的控制(图10-IV)。基于水平对流的思想，提出了一个统一参数k/A系统刻画了非均匀加热对热湍流中大尺度结构反转现象的影响规律(图10-III(b, c))。

　　该工作提出了以非对称非均匀加热方式控制热湍流流动反转的新方法，揭示了非均匀加热引入水平对流作用，抑制了角涡的发展，进而控制流动反转的物理机制。该研究成果为工程中实现热湍流结构的控制开拓了新的思路。

　　论文链接：http://dx.doi.org/10.1017/jfm.2022.602。

图10：（I）经典RB热湍流系统中大尺度环流结构反转的演化过程。（II）A=1时，不同非均匀加热波数k下全局角动量的时间序列。（III）不同振幅A下，流动反转频率（a）随波数k的变化以及tc/ttotal（b）和f(k)/fRB（c）随统一参数k/A的变化，其中tc是大尺度环流顺时针旋转的时间，ttotal是总时间。（IV）不同波数k情况下非均匀加热对角涡大小的影响。以上所有计算结果均在Ra=108，Pr=0.7情况下。