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【科研动态】我院教师在《Nature Communications》发表多相流体力学最新研究成果

发布日期：2024-04-10

近日，我院热能工程系青年教师江茂强博士与新加坡国立大学机械工程系朱来来教授课题组合作，在活性颗粒多相流体力学领域取得重要进展，开发出全解析活性物质颗粒群的多相流高性能并行计算方法，首次证明了介质活性可以激发固液气相变及活性湍流并阐明了相关机制。研究成果以“Shaping active matter from crystalline solids to active turbulence.”为题刊登在Nature子刊《Nature Communications》上。这也是船海能动学院首次以共同一作在该期刊发表文章。

活性物质是指由一些自主运动的个体组成的材料。这些个体普遍存在于自然界当中，从微生物到我们所熟知的哺乳动物。物理学家们一般将这些个体其比作活性颗粒。活性颗粒能将自由能转化为机械能，驱使自身的运动，并且通过各自的相互作用，展现出各种令人着迷的集体运动行为。自20世纪以来，活性物质的出现对于人们了解生物的运动规律有着至关重要的作用。同时，人工的活性颗粒（例如Janus颗粒和活性液滴）的研究也在未来仿生材料或者系统的设计中扮演着关键角色。目前，设计此类仿生系统的核心目标之一是用尽可能少的控制参数实现活性颗粒最大的可控性，从而增加活性材料的可重构性。以往研究表明，调控颗粒的活性能够实现活性物质的相变或活性流体的层流-湍流转变，但两者尚未能同时实现。

基于上述问题，我们基于格子玻尔兹曼方法、浸入边界法和高性能并行计算开发出可大规模模拟活性颗粒群的多相流全解析数值模拟方法，考虑各向同性活性液滴（我们称之为isotropic phoretic agent，IPA）的流体动力学和化学相互作用，不仅再现了在实验室观察到的典型IPA集体行为，也观察到了看似不同的实验观察结果--活性晶体和活性湍流，如图1所示。我们发现这一系列的集体运动行为是无法通过单独求解流体动力学或化学相互作用来实现的。此外，我们基于量纲分析，推导了一个描述固相到液相（或者气相）转变的理论。我们发现这个相变过程是由拓扑缺陷的产生导致的，并且在固相和液相之间，我们基于KTHNY理论（2016年诺贝尔物理学奖）证明了六方相的存在。这些发现表明，调节颗粒的活性可以起到调节传统介质中温度的效果。

图1活性导致的活性物质颗粒群固液气相变

除了能模仿温度外，我们还发现提高颗粒的活性能达到模仿经典流体中雷诺数的效果，其中的活性流体相逐渐表现为：一种静止的层流状态，规则的波，波的不稳定状态，最后转变为活性湍流。活性湍流表现为颗粒尺度上固有涡结构的形成，如图2所示。这一进展突出了活性流体和经典流体在层流到湍流过渡中的相似性与不同，即较低的活性促进结晶，而更高的活性会引发湍流。最终，这一发现提供了一种在活性物质中，使用最小控制来优化活性颗粒系统的范例。

图2活性湍流（active turbulence）

论文的第一作者是新加坡国立大学杨谦洪博士，我院江茂强博士为本论文的共同第一作者，通讯作者为新加坡国立大学朱来来教授，合作者还包括意大利帕多瓦大学的Picano Francesco教授。

原文链接：Yang, Q., Jiang, M., Picano, F. et al. Shaping active matter from crystalline solids to active turbulence. Nature Communications, 2024, 15: 2874. https://doi.org/10.1038/s41467-024-46520-4

江茂强博士2023年入职船海与能源动力工程学院能源工程研究所，长期从事多相流体力学和计算流体力学研究，在多相反应流的数值计算方法和高性能计算、低碳零碳燃料利用等方面做了较多研究。研究成果发表在Nature Communications、Journal of Computational Physics、Physics of Fluids等高影响力学术期刊上，并申请获得了多项专利和软件著作权。（审核：张尊华）

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