管道流动中准稳态湍流的启动

管道流动中湍流的启动是物理学、应用数学和工程学领域持续了超过140年的根本性挑战。迄今为止，人们认识到的这种层流-湍流过渡的前体是瞬态湍流斑点或絮状结构，但其定义性特征—— longevity（持久性）、突然的层流化以及超指数寿命标度——缺乏从原理层面的解释。通过结合大量计算机仿真、理论分析以及与实验数据之间的验证，我们识别出在临界雷诺数处分隔的不同类型的絮状结构层流化过程，这些过程由从纳维尔-斯特朗方程推导得到的带噪声的 saddle-node 分岔定义。该临界值以下，絮状结构的平均寿命遵循平方根标度定律，这代表一种由临界减缓主导的固有确定性衰减。该分岔的节点分支在此基础上形成势阱，以稳定湍流；而鞍点分支则介导随机跨越事件，驱动无记忆衰减——这是准稳态状态的标志性特征。因此，我们理论上求解了平均寿命，可对其进行超指数拟合。通过对动能方程中的确定性和随机分量进行量化，统一框架下分析了絮状结构的寿命统计，覆盖低至中等雷诺数范围，揭示了管道流动向准稳态湍流过渡的机制。