界面張力梯度驅動對流作為微重力環境下自然對流熱質輸運的基本形式，對其基本規律的研究有助于人類深入認識空間極端環境中物質運動規律，并進而有效開發和利用空間環境資源，因此，一直是微重力流體物理研究的重要方向。我國航天技術（如先進的空間流體管理技術）的發展和對空間環境資源的開發利用（如空間材料生長與地外資源原位利用），以及中國空間站全面建成并轉入應用與發展新階段所提供的優質實驗條件，使得該領域的研究成為目前微重力科學領域研究的重點和前沿。

近期，力學所研究人員在微重力條件下環形液層界面張力梯度驅動對流向湍流轉捩過程的研究中取得重要進展，進一步發展了胡文瑞院士首倡的體積比效應模型和理論。首先，建立了彎曲自由面的界面張力梯度驅動對流數值計算模型以刻畫環形液層體積比效應，對不同體積比下的轉捩過程開展了直接數值模擬，得到了隨著外加驅動力（溫差）的增加，流動經由穩態發展到周期振蕩，再到非周期振蕩，最后直至混沌的流場和溫度場動態數據，發現在不同體積比下流動表現出不同的轉捩途徑。其次，針對臨界失穩和超臨界轉捩兩個典型階段，采用頻譜分析與動力學模態分解的方法，從時間和空間兩個維度提取流場和溫度場的時空結構特征，識別出不同的分岔模式。發現小體積比(<1.0)時，即使在很高的溫差下，對流仍能保持周期振蕩；而大體積比(>=1.0)時大溫差下振蕩對流失穩會形成周期、準周期等復雜的流動模式。最后，根據不同體積比下分岔模式的不同演化道路，及其特征模態呈現出的不同空間結構與頻率特性，分析了體積比對轉捩過程的影響，揭示出體積比的作用機制，即大體積比增強了模態的不穩定性，通過激發出更多的基頻、發展出更高階的小尺度結構，形成復雜的流動模式。本研究結果進一步揭示了界面張力梯度驅動對流向湍流轉捩過程中流場和溫度場的非線性時空演化特性，為轉捩機制的探索提供了新的啟發。

相關結果發表在International Journal of Thermal Sciences[179 (2022) 107707] 和International Journal of Heat and Mass Transfer [208 (2023) 124059]上,李凱研究員為通訊作者，博士研究生郭子漪為（共同）第一作者。部分成果曾由郭子漪在第12屆全國微重力科學學術會議上進行過交流，并獲得“青年學者優秀報告獎”。相關工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的資助。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2022.107707

                  https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124059

圖 1 不同體積比下的轉捩過程

圖 2 速度場特征模態及其對應特征頻率示意圖（由上到下溫差依次為10K, 20K和50K, 體積比1.1131）