2018年3月27日晚7点，中国科学院大学科学前沿进展名家系列讲座Ⅱ第69讲在玉泉路校区礼堂举行。本次讲座的主题是“湍流——十九世纪的问题，二十一世纪的挑战”，主讲人是中国科学院院士、中科院力学研究所研究员何国威。何国威院士向学生们重点介绍了湍流研究近期的主要成果: 湍流的统计理论和大涡模拟方法，并对飞机和海洋工程中的具有挑战性的湍流问题做简要的介绍。
讲座一开始,何国威院士简要回顾了湍流的发展历程，阐述其在流体力学中的核心地位。流体力学跟绝大多数科学有所不同，Navier-Stokes方程就像牛顿第二定律一样，是流体力学上的“上帝”，几乎所有的湍流都符合这个方程。而且，NS方程解的存在唯一性也是数学上七大难题之一，著名数学家陶哲轩也在2016年对这个问题做出了一些解释。
湍流问题发展数十年来，已有数项重要成果，其中之一是湍流的理论统计。1938年泰勒提出了涡传播机制，是湍流研究的里程碑；1964年克莱契南提出了涡畸变机制，是经典DIA理论的核心，但这些都不能全面地反映涡传播和畸变耦合机制的时空关联模型。针对上述两个模型的问题，经过不断探索，何国威院士在2006年提出了时空关联的EA模型，反映了湍流“传播+畸变”的耦合机制，并通过计算机数值模拟验证了EA模型。后来的相关实验也验证了泰勒的伽利略变换并不全面，而何国威院士的非线性变换是正确的。之后，美德课题组通过热对流的实验，采用EA模型发现了湍流的终极态，而且发现了湍流终极态的标度率。于是，我们也可以用物理上的实验结果，来相信数学上NS方程唯一解的存在。
湍流问题的第二项重大成果是发展了计算流体力学。用计算机程序完成涡流的数值模拟从而代替实验，这是计算机性能大幅度提高后，为物理学发展带来的翻天覆地的变化。1999年NASA完成一项伟大的工作，即用计算机进行数值风洞模拟，这样做可以减少60%的风洞实验，从而节约大量财力以及时间。2008年，国外研究小组历经14天，采用4000个节点，完成了发动机的全机数值模拟，这也大大改变了航空航天的发展历程。现在我们正在进行中的项目，包括潜艇绕流的壁模拟和大涡模拟，我们利用中国计算机的超算实力，实现了潜艇噪声的预测，这也是十分了不起的工作。
接下来，何国威院士讲述了一项有趣的工作：用数值模拟的方法研究蝙蝠的飞行问题，试图阐明蝙蝠产生高升力的机制，并思考蝙蝠能否在火星上飞行。这项工作已经取得了一定的成果，但实验数据并不能完美符合现实情况，这些问题也有待我们这一辈人去解决。
最后，何院士提到了目前时空关联的三个问题。第一，欧拉时间尺度和拉格朗日时间尺度的关系，这是湍流尚未解决的难题；第二，时间精准的大涡模拟，这是大飞机的下一代设计工具；第三，从实验数据重构湍流的时空能谱，这也是非常有意义的工作。而何院士也对下一代有志于研究湍流问题的同学抱有极大的期望，并鼓励我们不断探索。
讲座即将结束，同学们踊跃提出问题，何院士也对超流体中能否研究湍流、流体力学在天气预测中的作用等问题做出了简明的回答。讲座结束，同学们报以热烈的掌声。（文/姜小平 图/赵然 作者系国科大记者团成员）
何国威院士为同学们做精彩报告
讲座内容简介：
湍流是流体力学的核心问题之一。诺贝尔奖获得者海森堡说: “我要带着两个问题去见上帝: 量子力学和湍流。我相信上帝对第一个问题已有了答案”。众多的科学家，包括科尔莫哥洛夫，泰勒，周培源，林家翘等，从不同的方面研究过湍流: 数学家研究描述湍流的Navier-Stokes方程解的存在唯一性，物理学家研究作为非平衡态典型案例的湍流，力学家研究工程湍流的机理和预测湍流特性的方法。近代统计力学和超级计算机的发展极大地推动了湍流研究。本次报告在回顾湍流发展的基础上，重点介绍湍流研究近期的主要成果: 湍流的统计理论和大涡模拟方法，并与大家分享其中未解决的重要问题; 最后对大飞机和海洋工程的三个具有挑战性的湍流问题(湍流燃烧，湍流噪声，生物推进)做简要的介绍。
延伸阅读：
“科学前沿进展名家系列讲座”创办于2014年9月，是中国科学院大学为本科生开设的必修课程，同时欢迎研究生与教职工参加，由中国科学院大学本科部主办，讲座召集人为徐涛院士。该课程按照数学、物理、化学、生物、材料、计算机、天文、电子信息工程、环境九个专业，邀请相关科学领域的院士等知名专家开展专题讲座。通过讲述科学故事、介绍相关学科方向的科学前沿进展，让学生在本科阶段了解不同学科的科研方向与主要进展，拓宽学生的学术视野，为他们最终选择学科专业与专业方向提供丰富的判断依据。
