热湍流广泛存在于自然界和工程应用中，与地幔对流、大气湍流、旋转机械冷却、高效换热过程等密切相关。瑞利-伯纳德对流是研究热湍流的经典模型，当热驱动强度足够高时，系统将由经典态进入终极态。清华大学能动系孙超教授团队曾经提出超重力驱动热湍流的实验方案，设计并建成超重力热湍流实验平台，获得了热湍流终极态的实验证据。然而，该系统中终极态转捩为何能在相对较低的阈值下发生，其物理机制仍有待厘清。围绕这一问题，研究团队开展了实验测量、理论分析与直接数值模拟研究。

研究团队利用超重力热湍流实验平台，以硅油为工作流体，系统研究了不同弗劳德数和瑞利数下离心对流的热输运规律。实验结果表明，系统从经典态到终极态的转捩在不同弗劳德数下均稳定出现；在低瑞利数区间，热输运标度指数约为0.27；超过临界瑞利数后，标度指数增大至约0.46，呈现终极态特征。进一步分析表明，临界瑞利数随弗劳德数增大而增大，并满足Rar*～Fr2/3的标度关系（图1）。

图1.不同弗劳德数下的热输运规律及临界瑞利数随弗劳德数变化的标度关系

研究团队进一步从黏性边界层与斯图尔特森层（Stewartson layer）相互作用的角度解释了这一现象，并通过理论分析和直接数值模拟验证了该物理机制。在离心对流系统中，地球重力会在冷热边壁附近诱导形成沿轴向伸展的环流结构，即斯图尔特森层。随着瑞利数增大，黏性边界层厚度逐渐减小，当其厚度与斯图尔特森层相当时，两者会在壁面附近形成耦合的复合流动结构。该耦合作用触发边界层失稳，并促使其转捩为湍流边界层。边界层湍流化后，热边界层持续受到扰动，由此强化热输运（图2）。

图2.黏性边界层与斯图尔特森层相互作用并触发边界层失稳的物理图像

这一工作阐明了地球重力在离心对流终极态转捩中的关键作用，揭示了重力诱导的斯图尔特森层与黏性边界层相互作用导致离心对流终极态提前出现的物理机制。研究深化了对高瑞利数热湍流边界层转捩与热输运增强机制的认识。

研究成果以“超重力离心式热对流中极限状态早发的物理机制”（Physical Mechanism behind the Early Onset of the Ultimate State in Supergravitational Centrifugal Thermal Convection）为题，于5月28日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

清华大学能动系博士后任磊为论文第一作者，能动系教授孙超为论文通讯作者。论文合作者包括清华大学能动系2021级博士生钟俊、航院2024级博士生赖茹诗。

研究得到国家自然科学基金卓越研究群体项目、国家自然科学基金青年科学基金项目、新基石研究员项目、科学探索奖、中国博士后科学基金面上项目等的支持。