高度湍流闭合流动的磁化率发散、相变与多稳态

利用立体粒子图像测速法的时间序列数据，我们研究了湍流 von K\'{a}rm\'{a}n 旋流对其驱动力对称性连续破缺的响应。实验在很宽的雷诺数范围内进行，从 $Re = 10^{2}$ 的层流区到接近 $Re = 10^{6}$ 的高湍流区。我们表明，流动对称性可以由两个标量定量表征，即全局角动量 $I$ 和混合层高度 $z_s$，并且两者在统计上是等价的。此外，我们报告了流动对微小驱动力不对称性的响应是线性的，其斜率依赖于雷诺数：该响应系数从小雷诺数到大雷诺数非单调递增，并在临界雷诺数 $Re_c = 40\,000 \pm 5\,000$ 处呈现发散。这种发散与瞬时流动对称性 $I(t)$ 统计性质的改变相吻合：其概率密度函数从高斯型变为具有多个极大值的非高斯型，揭示了亚稳态的非对称状态。对于对称驱动力，在 $Re_c$ 处也观察到了 $I(t)$ 的涨落峰：这些涨落对应于流动亚稳态之间的时间间歇性，这些亚稳态与极长时间平均的平均流相反，自发且动态地破坏了系统对称性。我们表明，这些观察结果可以从对对称性破缺的磁化率发散的角度来解释，揭示了相变的存在。我们提出并讨论了与固态物理中铁磁-顺磁相变的类比。