电场驱动的多刚体对流系统的动力学特征：实验研究和数值模拟

Over the past three decades, investigations on complex systems and systems far from equilibrium has been one of the most active areas in physics. Amongst these systems, thermal convection has been regarded as the archetype model-system. In thermal turbulence, the so-called "hard turbulent state" is distinguished from the "soft turbulent state".The formerappears at high Rayleigh numbers, signified with the formation of a large-scale-circulation (LSC), which is a coherent structure that occupies the most volume of the convection cell. There, a new scaling relationship between the Rayleigh number and the heat flux emerges. LSC not only associates with thermal convection, it also emerges in some seemingly unrelated systems, such as traffic flows and schooling or flocking of animals. We propose to study a new physical system, where many charge-carrying hard spheres are subject to a DC electrical field and move around obeying Coulomb's force. Due to collisions with the bounding electrodes and other spheres, their charges (and signs) will change and so do their trajectories. We will investigate the emerging collective motion of this "electro-convection"system using laboratory experiments and numerical simulations. We aim to understand the origin of collective motion, the large-scale-circulation, the dynamical characteristics and other emerging phenomena in this new convective system.

在过去的30年中，对远离平衡态动力学系统的研究一直是物理学中最活跃的领域之一，而热对流则被认为是一个最具典型的代表系统。在热对流的湍流态中，有"软""硬"湍流态之分，后者出现在较高的瑞利数。其主要特征是许多下行的冷羽流和上行的热羽流相互作用，自发形成一个大的相干结构，也就是所谓的大尺度环流（LSC），在这个态中相应的热通量与瑞利数出现了一个新的标度率关系。LSC不仅出现在热对流中，还出现在一些看似不相干的交通流和动物的群体运动模式中。本项目提出一个新的物理系统，用离散的多个刚体以及它们之间的相互作用来模拟热对流现象。在此系统里，由直流电场的驱动下，多个自由刚体在库仑力的作用下实现"电致对流"。通过和两个电极或是和其他刚体的碰撞，每个刚体所带电荷的大小和符号都会改变，其运动形式也随之改变。我们将通过实验室的精确测量和数值模拟来研究这个离散系统，从而探究大尺度相干结构的形成机理和动力学性质。

“多体对流”是我们研究团队首次提出的概念，在此之前几乎没有文献和研究经验可供我们借鉴和学习。其中涉及的物理过程比较复杂，而复杂性主要来源于多个刚体的存在。从实验上可以看出，这个系统在刚体数目足够大时，其行为是处在一个混沌，类似湍流的状态。这个状态和流体力学中最常研究的热对流比较起来，有极大的相似性。这就是为什么我们项目的题目里就冠有“对流”二字。当然，在本项目中，被系统输运的部分是电荷或者一个有效电流。而在流体的热对流中，被输运的部分是热量。我们的前期实验研究也在相应的流体对流系统里作了充分的拓展。比如（1）在一个带有隔板的热对流系统中，我们发现热对流从一个湍流状态被“整理”到一个层流状态，而且流体可以被带入边界层中，从而大幅度地提高整体的热输运效率。（2）当一个刚体受到热对流的制约时，它的运动受到周围热对流湍流的直接影响，我们用一个数学模型，把刚体大小和它展现出来的运动态做出了满意的说明。（3）在对流现象中，输运的强度取决于电势差或者温度差（热对流），我们尝试从控制的角度出发，从对流的侧板加热，从而在相当程度上控制热对流。上述的三个实验研究都已经完成，其中前两项研究在流体力学权威杂志JFM上发表文章三篇（两篇印出，一篇接收），最后一个正在PRL评审。我们还会在今后的一段时间里跟踪研究、进一步扩展以上发现的现象，并在理论上和应用上有所作为。