清华新闻网9月29日电 通过连续改变液-液两相湍流分散体系中两种液体相的体积比，可以实现“突变”相反转（Catastrophic phase inversion），即连续相与分散相的反转过程，该现象在石油开采与输运、化工生产与材料制备等工业过程中具有重要应用。然而目前对于液液两相体系相反转过程的动力学机理的理解仍十分有限，其“突变”特征的机制也尚无定论。

近期，清华大学能动系孙超教授课题组和合作团队通过高精度实验测量与数值模拟方法，从宏观动力学与微观相结构转变两个角度，揭示了油水液-液两相体系在相反转过程中特征参数的临界发散规律，提出了相反转“突变”特征的解释机制，发现了相反转过程中的临界涨落现象与经典临界相变过程之间的内在联系。

图1.（a）实验装置示意图。（b）油水两相湍流的相反转过程。（c）相反转过程中扭矩脉动量的临界发散行为

利用自行设计搭建的多相剪切湍流实验平台，课题组在实验中实现了高达92%的相反转体积分数，并得到正向与反向实验之间80%体积分数宽度的相反转迟滞效应区间。实验发现系统扭矩脉动量在靠近相反转点过程中遵循临界指数发散规律，而相反转事件的触发具有随机特性（图1）。进一步分析发现，微观分散相结构的动态异质性增强，并表现出一定程度的长程关联，结构特征尺寸具有临界发散特征，该实验结果同时得到了荷兰埃因霍温理工大学合作团队的三维数值模拟结果的验证（图2）。宏观动力学与微观相结构上的临界转变规律的发现，为油水两相湍流中相反转现象的“突变”特征提供了一个解释机制。

图2.（a）三维全分辨数值模拟。（b）微观分散相结构的动态行为。（c-d）实验与数值模拟中分散相结构特征尺寸的临界发散特征

在此基础上，研究团队建立了油水两相湍流非平衡相反转过程与经典热力学平衡临界相变过程之间的联系。该研究拓展了液液两相湍流相反转过程中临界动力学行为的研究方向，同时为推动理解流体动力学与凝聚态物理概念之间的内在联系提供了新的机遇。

相关研究成果以“油水两相湍流相反转过程中的临界涨落发散现象”（Divergence of Critical Fluctuations on Approaching Catastrophic Phase Inversion in Turbulent Emulsions）为题，于9月26日在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志。

清华大学能动系2018级博士生易磊为论文第一作者，清华大学燃烧能源中心、能动系教授、新基石研究员孙超与荷兰埃因霍温理工大学教授费德里科·托斯基（Federico Toschi）为论文通讯作者。研究得到国家自然科学基金基础科学中心项目“非线性力学的多尺度问题研究”、腾讯新基石研究员项目及科学探索奖项目等的支持。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.134001

供稿：能动系

题图设计：金娅辰

编辑：李华山

审核：郭玲