前沿：类孤立波相干结构：打开湍流起源的钥匙 | 陈十一、邓小刚及李存标 NSR- 大数跨境

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前沿：类孤立波相干结构：打开湍流起源的钥匙 | 陈十一、邓小刚及李存标 NSR

两江科技评论

2025-12-01

导读：近期，北京大学湍流与复杂系统全国重点实验室李存标教授团队总结了关于湍流起源的研究进展。

近期，北京大学湍流与复杂系统全国重点实验室李存标教授团队总结了关于湍流起源的研究进展。相关成果发表于2025年发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。标题为“Soliton/like coherent structures: a key to opening the door to turbulence”, 作者为中国科学院院士陈十一、中国科学院院士邓小刚和李存标教授（通讯作者）。

湍流，被费曼称为“经典物理学最后的未解之谜”，几乎存在于所有的自然与工程流动中。湍流百年难题主要分为两个方面：一是湍流的起源，二是湍流的发展和演化。近期，北京大学湍流与复杂系统全国重点实验室李存标教授团队总结了关于湍流起源的研究进展。该综述基于在先进数据处理条件下获得的实验与数值模拟结果，展示了类孤立波相干结构（Soliton/like Coherent Structure，简称SCS）在自然转捩、K型、N型、O型和旁路转捩中主导湍流的产生，同时也在湍流边界层中主导湍流的猝发。以K型转捩为例，和Morkovin的经典结果对比，SCS的发现给出了至今为止最完整和清晰的湍流产生动力学过程：两个三维斜波相互作用产生了SCS；SCS边界失稳产生Λ-涡和二次涡环；二次涡环和Λ-涡相互作用产生涡环链和流向涡；若干SCS组成了低速条带；涡环链和SCS相互作用使得涡环链有序破裂，完成转捩的全过程。不仅如此，SCS也普遍存在于管流、分层流、射流、下落薄膜、尾迹等剪切流动中。文章指出，和众所周知的traveling wave相比，SCS是最基本的湍流产生的building block，它能清晰简洁地给出条带的形成、湍流猝发的动力学过程。文章为解决湍流起源物理问题提供了可操作的解决方案。

图1

边界层中类孤立波控制湍流斑的形成（源自剑桥大学出版社对李存标发表在JFM文章上的宣传海报）

文章首先给出了SCS的简洁数学和物理定义：SCS是由一对斜波相互作用形成的局部三维波结构，具有孤立波的自保持特征，得到实验的多次证实。文章澄清了SCS不同于Kachanov提出的CS-soliton。在演化过程中，SCS首先诱导出Λ涡，然后由二次不稳定性生成二次涡环；二者的相互作用触发涡环链和流向涡。SCS直接导致了其他重要拟序结构的产生与演化：Λ-涡的产生；低速条带的形成；二次涡环的形成；间接导致了涡环链的形成和破裂。这一机制在管流、分层流、射流、下落薄膜、尾迹等剪切流动中也获得了实验和直接数值模拟的证实，显示了SCS主导剪切湍流产生的一般性规律。研究还回顾了多个解释湍流形成的经典理论，澄清了SCS与这些理论的区别和联系。文章还强调了发展先进实验技术和发展适合于湍流研究的数据处理方法的重要性，换句话说，过去的实验和数据处理方法对湍流起源研究带来了巨大的益处，但也存在明显的漏洞，文章认为近壁测量和显示是十分重要的，往往会得到意想不到的结果；同时揭示了发展获得完整湍流结构的数据处理方法的必要性，因为不完整的湍流结构往往会带来湍流理解上的误区，会对湍流研究造成不必要的困难，甚至会对湍流研究指引错误的方向。文章最后讨论了湍流斑、低速条带、湍流减阻、行进波等湍流研究中的重要概念，提出“理解物理过程、建立预测理论、控制并利用湍流”三个层次的未来湍流研究方向。

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论文信息：

Soliton/like coherent structures: a key to opening the door to turbulence

作者：Shiyi Chen (陈十一), Xiaogang Deng (邓小刚), Cunbiao Lee* (李存标)

National Science Review, 2025, nwaf535

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf535