湍流起始的粒子分辨研究

从层流到湍流的转捩是一个极为重要且仍在被研究的课题。本文表明，复杂等离子体（即浸没于低温等离子体中的微颗粒）使得在阻尼影响下研究粒子分辨的湍流起始成为可能，这是传统系统无法做到的。我们对流过障碍物的复杂等离子体进行了三维（3D）分子动力学（MD）模拟，并观察到该障碍物尾流与前尾流区域的 3D 湍流。我们发现可通过改变流动速度与颗粒电荷等关键参数可靠触发湍流起始，这些参数在实验中可控，并表明向湍流的转捩遵循涉及湍流团块间歇性出现的常规路径。我们模拟中充分发展湍流的能量谱在时间与空间上均遵循 Kolmogorov 湍流的 -5/3 幂律。我们证明，在带阻尼的模拟中湍流发生于激波阵面（如弓形激波与马赫锥）形成之后。通过降低模拟中阻尼的强度，我们能在无阻尼系统中触发向湍流的转捩。本工作开启了在湍流相互作用载体即微颗粒层面上对湍流起始进行详细实验与模拟研究的路径。