联系方式


中国科学院大学
本科部
联系人: 孙老师;王老师
电话:88256321;88256234
电子邮箱: bkb@ucas.ac.cn
邮寄地址:北京市石景山区玉泉路19号(甲)
邮编:100049

 

【科学讲座】何国威:“湍流:从时空多尺度到力学的卡脖子问题”

       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。