近日，学院龚光彩教授科研团队在流体力学领域取得突破性进展，研究采用理论推导、实验验证及数值分析等研究方法，阐明了多重浮力效应（The multi-buoyancy effect）原理。

课题组在研究过程中，提出了以自然温度梯度替代位温梯度假设，建立有限空间空气稳定性判据，指出了即使是微重力场景条件下空气稳定性现象依然存在；提出了Gc数，克服了传统浮力相关作用准数的局限，在此基础上发现了多重浮力效应。多重浮力效应是典型的孪生温差作用效应，其中空气稳定性（Gc数）显著影响传统的浮力效应（Ar数）作用。同时空气稳定性（Gc数）对射流的影响具有典型的非对称共轭的特征。

图1   多重浮力效应原理

研究首次发现不论流体处于层流或紊流状态，稳定性现象总是存在的，Gc数可准确反映温差对惯性的抑制作用。长期的研究表明多重浮力效应可由三个基本方程构成，分别是可体现多重浮力影响的垂直射流方程、水平射流方程及反映温度对质点惯性作用的Gc 数量纲方程所组成。

图2   多人交互呼吸实验

研究进一步发现人体周围的流体流动受到多重浮力的影响。稳定性会影响呼吸气流传播的强弱，这意味着不同稳定性条件下交叉感染的方式与程度会有所不同。在人体带上口罩后，其呼吸气流与头部热羽流叠加而成的多重浮力效应会加强其向上部的运动，故而在人体上方的适当位置上布置排风口与捕集气态污染物或类气态污染物、病毒是适当且有利的。

图3  多重浮力效应射流数值及烟羽流实验

研究的结果可用于指导建筑通风设计，并且为更好地分析和理解厄尔尼诺和拉尼娜现象以及其他流体行为提供了新的重要的理论基础。

相关研究成果以题为《New rationale for the effect of multiple buoyancies and their influence on the propagation of respiratory pollutants》在美国物理联合会（AIP）出版的流体力学领域国际顶级期刊《Physics of Fluids》发表。该论文第一作者为龚光彩教授指导的博士生邓晓瑞，目前在清华大学开展博士后研究工作，通讯作者为龚光彩教授。

本研究得到了国家高技术研究发展计划（863计划）、国家国际科技合作与交流专项the National Special Program of International Cooperation and Exchange 、国家科技支撑计划、湖南省科技重大专项、湖南省重点研发计划、湖南省科技成果转化及产业化计划等长期资助支持。