鄒文楠:以新視角探索湍流問題

湍流是流體的一種流動狀態，又稱紊流，因其混亂、曲折、不規則，在日文文獻中被稱作“亂流”。湍流是一種普遍存在的自然現象，因其與航空航天、水利、氣象、化工、建筑以及高能物理等眾多領域相關，對它的預測和控制研究成為自然科學的基本問題之一。

對湍流的科學研究于1883年由雷諾開創，其提出的雷諾平均方法和雷諾方程是湍流理論工作的基礎。由于湍流現象極其復雜，對它的研究一直缺乏有效的實驗手段，而理論方面不同立場的人對它又有不同的看法，因此，100多年過去了，湍流研究仍處于潮汐式的循環狀態，沒有實質性進展，科學界至今仍無法給出湍流的公認的科學定義。但這絲毫不影響科學家們對湍流研究的熱情和執著，南昌大學建筑工程學院工程力學實驗中心、工程力學研究所鄒文楠教授就是湍流研究的熱衷者。

鄒文楠從1994年讀碩士研究生期間，就對湍流產生了興趣，后來他分別以《力學中高階張量與湍流運動的理論研究》的博士論文和《湍流思問錄》的博士后出站報告總結了自己對湍流的研究和看法。

鄒文楠通過引入開放的質元模型和微分幾何語言，用速度場和渦旋場描述了湍流運動狀態；利用變分原理推導新的湍流運動控制方程，給出了湍流狀態的精確定義；采用簡單的線性本構方程，分析了湍流運動方程的渦旋結構特征，解釋了湍流運動的一些基本特性，如強衰減、不光滑性、分叉、猝發間歇和準周期性等，同時利用數值計算初步研究了平面槽道流動、平面和三維的后臺階流動，揭示了渦旋場和速度場之間的耦合關系，顯示了湍流的三維性和豐富結構。鄒文楠的思路和方法開創了湍流宏觀理論研究的一條新途徑。

在《湍流思問錄》中，鄒文楠又分別在湍流脈動信號分析和湍流理論建模兩個方面作了一些新的探索和思考。

在湍流信號分析方面，鄒文楠在已有統計分析模型的基礎上，提出了平均速度結構函數的概念，得到具有顯著尺度界限的分段相似律；在認識到湍流標度特性起源于局部性結構的基礎上，將湍流信號看作非穩態隨機過程的表現，提出對湍流典型結構的時頻分析和層次分解；通過對已有時頻分析方法的考察，提出湍流激發的極點分析模型，將湍流擬序結構和隨機漲落進行分離，通過模態分解發現了湍流信號的一個有序認識途經，即認為湍流信號由一系列頻譜基本分離的有序的模態信號疊加而成，每個模態則由一系列頻譜交疊的或孤立或糾纏的小波狀時頻原子排布而成，并指出湍流信號能譜只有粗粒化意義上的收斂性和標度性，而且這種標度性與各層次模態的標度行為有關。

在湍流理論建模方面，鄒文楠在湍流渦旋場理論的基礎上做了進一步的細化和發展，從湍流信號層次性、流體動力學客觀性、連續介質幾何變化等多個角度指出用新的獨立場量——渦旋場描述湍流渦旋的必要性，從湍流動力平衡過程重新推導了控制方程，分析了其中的對稱性和動力學特征；接著以平面流動為例，建立了渦旋場的幾何圖象及其粘性作用機理，指出湍流源于流動方向和粘性摩擦力的不平行導致的渦旋演化，并進一步從動力學方程的分解、整合中分析湍流擬序平均流動、大尺度渦旋結構和小尺度渦旋運動的演化特征以及互相耦合、轉化的機理。此外，鄒文楠還對自己進一步要開展的工作進行了梳理。

鄒文楠認為理論的發展離不開實驗的檢驗，他渴望能借助先進的實驗手段和計算分析進一步驗證自己的理論。

湍流的研究呼喚新的思維，無論在實驗分析方面還是在理論建模方面，鄒文楠一直以不懈努力踐行著自己新的理念和思路，孜孜以求。他深深懂得湍流的復雜，但他堅信“湍流也在遵循著大自然的一個基本法則：用最小的消耗達到最高的效率。湍流的曲折迂回并不只是為了消耗能量，湍流渦旋的千變萬化也一定有一個簡單的目標”，相信通過不懈努力，“湍流那美妙絕倫、充滿契合的真實圖像一定會在我們面前展開”。