涡漂移（vortex wandering）是旋转流体系统中普遍存在的重要非稳态现象，表现为涡核在几何中心附近发生随机周期性偏移。尽管整体涡结构保持稳定，这种偏移会引发局部速度与压力扰动，影响旋流场的整体稳定性。涡漂移不仅在基础流体力学研究中具有重要意义，也与自然和工程系统密切相关。在自然界中，它会影响龙卷风等强旋涡的内部结构及演化过程；在工程领域中，则会显著影响旋风分离器、旋流器等旋转设备的分离效率与运行性能。然而，由于涡漂移的低频、弱信号特征，其主导动力结构及拓扑特征未被充分揭示。

图1团队搭建的旋转流体实验平台

针对此问题，GEE团队构建了高度可控的旋流实验系统，利用高时间分辨率PIV技术获取瞬时速度场数据，并将稀疏促进动态模态分解方法应用于旋流系统的低频结构提取。从实验层面识别出涡漂移的主导动力模态，揭示了该低频行为的空间结构、频谱特征及其随涡流比变化的系统演化规律。

图2不同涡流比下二阶涡漂移模态的流场结构

研究发现，涡漂移模态呈现典型的反对称双涡结构，其旋转方向与主涡一致，能够有效驱动涡核的偏移行为。随着涡流比增加，漂移模态的能量占比逐渐减弱，其空间拓扑结构从清晰稳定逐步过渡为碎裂态，反映出旋流系统从高有序状态向高湍动状态的演化趋势。本研究进一步建立了涡漂移主导模态与旋流有序性之间的联系，为深入理解旋流系统的稳定性、以及自然与工程涡旋中低频非稳态行为的动力机制提供了新的实验依据。

该研究以“Experimental Investigation of Vortex Wandering Dynamics in Single-Cell Tornado-Like Vortices”为题发表于剑桥大学出版社旗下流体力学权威期刊Journal of Fluid Mechanics。论文第一作者为兰州大学青年研究员张宇萌，通讯作者为王博教授。该研究得到国家自然科学基金（52400130）的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1017/jfm.2025.10862.