2020年9月29日晚七点，中国科学院大学科学前沿进展名家系列讲座Ⅰ第108讲在玉泉路校区礼堂如期举行。中科院力学所研究员、美国物理学会fellow、现任中国力学学会副理事长和美 国物理学会DFD会士遴选委员会委员、中国科学院院士何国威教授为同学们带来了题为“湍流：从时空多尺度到力学的卡脖子问题”的科学讲座。
何院士首先介绍了湍流问题的内涵与发展。湍流是有序和无序的相互作用，我们用确定性方法研究有序问题，用随机方法研究无序问题，但没有现存的方法来描述湍流。湍流问题的难点主要有三：一是时空多尺度耦合，二是三维非定常混沌，三是非线性过程。也正因为如此，海森堡说：“我要带两个问题去问上帝，一是量子力学，二是流。湍流问题研究了七十年，但重点一直在空间尺度，忽略了时间尺度。1941年，科尔莫哥洛夫和周培源提出了湍流统计理论，得到了湍流在空间尺度上的能量分布，1980年，开始用计算机模拟研究湍流，但还是没有得到时空能谱。
由此，何教授开始介绍他工作的一部分——研究湍流的时间和空间关联。时空关联研究的是湍流的速度在不同位置、不同时刻的关联函数，并由此研究时空尺度上的能量分布。关于时空关联，1938年的Taylor冻结流模型给出了涡传播机制，但缺乏涡畸变，1964年的Kraichnan下扫模型，给出了涡畸变模型，但缺乏涡对流。何教授的团队和其他科学家合作，提出了时空关联的EA模型，能反映湍流“传播+畸变”的耦合机制，发现了湍流时空关联的自相似衰减过程，且在实验上得到了很好的证实。EA模型可以应用于湍流噪声谱，涡传播证实了泰勒模型导出的多普勒shifting效应，涡畸变发展了泰勒模型不能导出的多普勒broadening效应。今年，杨博文、杨子轩等人用EA模型给出了预解算子预测槽道湍流的时空能谱。
接下来，何教授开始介绍计算流体力学。计算流体力学的第一个里程碑是数值风洞：NASA有全世界最大的风洞，长达100米，能进行汽车的全车数值模拟，飞机的全机数值模拟也正在研发当中，目前还有一些漏洞。第二个里程碑是数值发动机：涡流燃烧的大涡模拟可以模拟点火与熄火过程，因此可以来检验航空发动机的点火与熄火是否符合要求。这些模拟节省了80%的风洞实验时间，大大提高了效率、降低了成本。总的来说，计算流体力学能应用于计算航天科学，基于六大技术：物理模型、数值方法、网格生成、知识提取、多目标优化、机械学习，预期目标为：得到基于物理的可预测模型、误差和非确定性管控、网格生成和结果分析的自动化、大规模并行、异构和容错技术、能力和容量计算、多学科分析的无缝衔接。
基于大涡模拟，何教授开始介绍另一个应用：潜航器标模湍流噪声的大涡模拟。这个项目的近期目标是实现全附体潜航器标模SUBOFF，最终目标是实现流-固-声耦合的大涡模拟。这个工作的第一个大挑战是复杂几何边界，解决方法为LES的壁模拟加侵入边界算法加使用超算；第二个挑战是确保湍流模型中的时间轨迹精确，何教授团队做的工作之一，便是研究时间精确大涡模拟的方法和程序，并且已经取得了很好的成果，提供了国际第一个全尺度潜艇绕流数据库。
最后，何教授回到最开始的题目上，总结了湍流问题是什么样的卡脖子问题——难点在于实验观察、数值计算、理论证明三者的统一，重点是时空多尺度非线性耦合。非线性力学的两个核心问题之一也是湍流，由此发展出来多尺度力学和多尺度工程，对制造业的发展起了很大作用。在提问环节过后，讲座在热烈的掌声中结束。
