轴向旋转热逆流中量子湍流的动力学

利用第二声衰减技术，通过测量量子化涡旋线的密度，探究了方形通道中超流体 $^4$He（He~II）轴向旋转热逆流的产生、统计稳态和时间衰减。由旋转产生的直量子化涡旋阵列强烈影响量子湍流的发展。在相对较慢的角速度下，导致层流逆流破坏的不稳定性类型发生定性变化：钉扎在通道壁上的种子涡旋环的增长逐渐被 Donnelly-Glaberson 不稳定性引起的增长所取代，后者导致平行于外加逆流的涡旋上螺旋 Kelvin 波的快速增长。逆流突然开始后随之而来的涡旋线密度初始瞬态增长表现为自相似，且与无量纲时间 $\Omega t$ 呈线性关系。我们通过数值表明，振幅足够强的 Kelvin 波将涡旋重新定向为更扁平的形状，其增长方式类似于自由涡旋环。在足够高的逆流速度下观察到的稳态涡旋线密度，以及逆流关闭后的早期时间衰减，受旋转的影响不明显。然而，引人注目的是，尽管旋转逆流的稳态与旋转的经典网格生成湍流非常不同，但两者后期的时间衰减表现出相似的特征：衰减指数随旋转速率 $\Omega$ 从 -3/2 减小到约 -0.7（这是二维湍流的典型值），这与向双向级联的转变一致。