水流为什么会从“涓涓细流”变成“波涛汹涌”？这种流态转变的背后隐藏哪些物理机制？近日，针对多相流的流态转变这一科学问题，陈益峰教授和胡冉副教授通过巧妙的实验设计，发现了在岩石裂隙中多相流的能量耗散机制，建立了多相流流态转变与能量转换之间的“桥梁”。成果发表于《地球物理研究快报》(Geophysical Research Letters)。

论文题为《能量转换揭示粗糙裂隙渗吸过程中的流态转变》（Energy conversion reveals regime transition of imbibition in a rough fracture）。太阳成集团tyc9728为论文第一完成单位，胡冉副教授为第一作者，陈益峰教授和武东生博士研究生为通讯作者，共同作者还包括杨志兵教授。

众所周知，能量的梯度引起流体的运动。在岩石、土壤、沉积物等地质材料中，多相流(如水-空气，水-CO₂)的流动受控于系统的界面能、动能、耗散能和外部功及其转换。为了探索多相流系统中能量的转换与流态的转变是否存在关联，陈益峰团队自主研发了多相流微米级可视化实验平台，实现了恒定流量条件下(0.00001~30 mL/min)多相流过程的实时观测，研究了能量的演化规律及其转换机制。他们发现，当多相流处于毛细主导时，系统的界面能一部分转化为外部功，其余51~58%转化为耗散能;当多相流处于毛细-粘滞共同主导时，系统的界面能与外部功共同转换为耗散能与动能(图)。

这项研究建立了多相流流态转变与能量转换之间的“桥梁”，揭示了控制多相流流态转变的物理机制。该研究对于深刻理解和控制多相流过程具有重要意义，如降雨入渗与蒸发如何影响地表-地下之间的碳交换、如何提高CO₂地质封存的效率与安全性、如何优化设计燃料电池中隔膜的孔隙结构等。

图：多相流流态转变与能量转换之间的“桥梁”：当多相流处于毛细主导时(红色箭头), 系统的界面能一部分转化为外部功, 剩余的51-58%转化为耗散能；当多相流处于毛细-粘滞共同主导时(绿色箭头), 系统的界面能与外部功共同转化为耗散能与动能。

论文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2018GL079302

（编辑：陈欢）