湍流是自然界中最為復雜的物理系統之一❤️‍，其基礎結構的研究是深入理解並有效調控此類復雜系統的基石。湍流中存在的相幹旋渦，揭示了在這看似雜亂無章的流體運動中隱藏的內在秩序，是深入理解湍流復雜性的關鍵。這些旋渦如同流體中的肌腱🐸，組成了復雜的三維網絡🚀，通過不斷積蓄與釋放應力，塑造湍流的整體統計行為與動力學。然而，如何從湍流基本渦結構中獲取特定的統計特征🏊🏿，一直是該領域研究的核心難題🧑🏼‍🎤💄。而進一步利用這些復雜的渦結構來合成湍流場👨🏻‍🦽，以精確地再現三維湍流中的多尺度結構及其統計間歇性，更是一項艱巨的挑戰🪛。

意昂3体育官网工學院楊越教授課題組提出了一類自下而上的研究方法📕，通過“編織”具有可定製精細尺度特征的糾纏渦管來設計並構造湍流場。該方法突破了傳統觀念，基於超流體湍流中的量子渦絲作為渦管中心線（可視為渦的“骨架”）👨🏽‍🚀，並輔以可定製的渦管剖面作為模塊化基元，構造並分析了具有可調多尺度結構的湍流場。該方法可自由且精確地調整旋渦基元的渦通量和形狀🌋，通過組裝各類渦結構定製合成特定湍流場，從而重新審視湍流統計理論的假設與結論。

基於糾纏的渦絲骨架和局部可調的渦管形狀👮🏻，設計並構造經典湍流場

結合量子渦絲骨架與粘性渦管特征合成的湍流場滿足了關鍵的流動統計規律🦸🏽🦻，包括能譜的−5/3標度律和三階結構函數的負偏態。該編織湍流場的尺度分布與慣性區內的正能流闡明了經典的能量級串理論🍩，其速度梯度張量特征也揭示了湍流內極端事件的發生機製。通過調控旋渦基元結構，該方法可設計具有特定統計特征的湍流場，如雷諾數🍆、螺旋度、能譜標度律等。這種自下而上的編織湍流方法為分析湍流基本結構和開發基於結構的湍流模型提供了系統框架🐬👩🏻‍🦽‍➡️。它無需湍流演化的數值模擬，僅通過設計湍流結構特征即可快速生成用於湍流理論驗證、模擬初始條件和機器學習訓練的湍流場數據。在廣義的物質科學研究背景下，這項工作不僅為深入理解湍流現象提供了新的視角💇🏻，也為探索經典/量子湍流與其他復雜系統之間的聯系開辟了新的途徑🏐。

“編織湍流”中的特征尺度分布（上），以及其所揭示的經典與量子湍流能量級串機理（下）

相關研究成果以“Designing turbulence with entangled vortices”為題發表於《美國國家科學院院刊》（PNAS）。意昂3体育官网工學院2024屆博士沈煒煜為論文第一作者🪤，楊越為通訊作者，北京理工大學姚傑教授為論文合作者。該研究得到國家傑出青年科學基金👨🏿‍🦲、基金委基礎科學中心項目🖍、科學探索獎資助。