“湍流”勇進(jìn) 創(chuàng)新飛夢(mèng)
——記湍流與復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

流體力學(xué)中的湍流被認(rèn)為是經(jīng)典物理中最后一個(gè)沒(méi)有解決的問(wèn)題。作為復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象的湍流廣泛存在于自然界中，從日常生活到宇宙尺度都存在湍流運(yùn)動(dòng)，湍流運(yùn)動(dòng)是構(gòu)成世界豐富多彩的一個(gè)重要因素。湍流的研究也帶動(dòng)了許多相關(guān)學(xué)科，如數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，因此湍流研究是自然科學(xué)中重要的基礎(chǔ)科學(xué)研究。同時(shí)，湍流在工程中占有重要地位，長(zhǎng)期以來(lái)，在航空航天、地面和水下航行、流體機(jī)械、大氣和海洋、能源開(kāi)發(fā)、建筑、環(huán)境科學(xué)和仿生學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域中，湍流是最常見(jiàn)的問(wèn)題。

光榮的學(xué)術(shù)傳統(tǒng)

湍流研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是在著名科學(xué)家、北京大學(xué)原校長(zhǎng)周培源先生的支持與倡導(dǎo)下，于1995年年底通過(guò)科技部驗(yàn)收而正式成立的，具有光榮的學(xué)術(shù)傳統(tǒng)。周培源先生作為國(guó)際湍流研究的開(kāi)拓者20世紀(jì)40年代就在湍流理論方面做出了重要的開(kāi)創(chuàng)性工作，奠定了湍流模式理論的基礎(chǔ)，建立了具有國(guó)際影響的湍流中國(guó)學(xué)派。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，北京大學(xué)湍流與復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)形成了在國(guó)內(nèi)外有重要影響的湍流研究機(jī)構(gòu)，被國(guó)家基金委授予“創(chuàng)新研究群體”稱(chēng)號(hào)。為了在更高層次上尋求湍流問(wèn)題的突破，在交叉前沿科學(xué)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)新的學(xué)科生長(zhǎng)點(diǎn)，深入發(fā)展非線(xiàn)性科學(xué)與復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)，2001年報(bào)科技部批準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)室更名為“湍流與復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”。

實(shí)驗(yàn)室擁有國(guó)際知名學(xué)者佘振蘇和陳十一兩位專(zhuān)家。佘振蘇教授是國(guó)際著名的湍流理論SL模型的創(chuàng)立者，1999年起在受聘首批教育部特聘教授，曾任北京大學(xué)湍流與復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。陳十一教授是國(guó)際著名的流體物理和計(jì)算流體力學(xué)專(zhuān)家，自2005年起，被聘為北京大學(xué)終身講席教授，擔(dān)任北京大學(xué)研究生院院長(zhǎng)，北京大學(xué)湍流與復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。1999年起，佘振蘇和陳十一就著手在北京大學(xué)組建新一代湍流研究團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)以國(guó)家急需的具有重大應(yīng)用價(jià)值的可壓縮湍流為背景，集中研究可壓縮近壁湍流的形成機(jī)理，揭示湍流的深層次動(dòng)力學(xué)規(guī)律，建立新的湍流理論，發(fā)展先進(jìn)適用的可壓縮湍流模型，在解決若干國(guó)家重大工程急需的湍流問(wèn)題的同時(shí)，帶動(dòng)和培養(yǎng)一支精干的湍流研究中青年隊(duì)伍。

2008年，重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持下，連續(xù)組織了針對(duì)我國(guó)航空航天湍流基礎(chǔ)研究需求的系列研討，成功申報(bào)科技部“973”項(xiàng)目“飛行器氣動(dòng)力學(xué)與光學(xué)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵湍流問(wèn)題”，佘振蘇教授擔(dān)任首席科學(xué)家。另外，陳十一教授為首席的北大湍流團(tuán)隊(duì)和中國(guó)商飛公司、清華大學(xué)與北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所等一起承擔(dān)了工業(yè)和信息化部“民用飛機(jī)氣動(dòng)力預(yù)測(cè)新方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)”國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)課題。重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成為名符其實(shí)的中國(guó)湍流研究中心。

除了飛行器等傳統(tǒng)湍流應(yīng)用領(lǐng)域，北京大學(xué)湍流與復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室還對(duì)風(fēng)力發(fā)電、慣性約束核聚變等涉及湍流和復(fù)雜流動(dòng)的國(guó)家能源領(lǐng)域的重大課題給以關(guān)注和支持，甚至還將湍流研究與“體育”聯(lián)姻，成功設(shè)計(jì)了奧運(yùn)皮劃艇激流回旋項(xiàng)目的賽道，并輔助中國(guó)激流回旋皮劃艇實(shí)現(xiàn)了世界大賽獎(jiǎng)牌零的突破。

先進(jìn)的研究成果

湍流與復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)室定位于湍流和力學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究，研究方向?yàn)橥牧骰A(chǔ)與應(yīng)用，復(fù)雜流動(dòng)，以及復(fù)雜系統(tǒng)的關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題。在湍流和力學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)下，實(shí)驗(yàn)室設(shè)立了10個(gè)研究課題進(jìn)行重點(diǎn)培育，其中緊密?chē)@湍流基礎(chǔ)研究的核心課題包括可壓縮湍流的多過(guò)程分析和大渦模擬模型、不可壓縮和可壓縮和湍流結(jié)構(gòu)系綜研究、高超聲速邊界層流動(dòng)穩(wěn)定性研究、線(xiàn)性穩(wěn)定平行流的轉(zhuǎn)捩等。與力學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)相關(guān)的課題包括航空航天材料與結(jié)構(gòu)的高溫力學(xué)理論與強(qiáng)韌化機(jī)理、流-固耦合動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究，超滑移表面功能材料的研制及其在分離流動(dòng)控制中的應(yīng)用，碰撞、摩擦中的跨尺度動(dòng)力學(xué)行為研究，高超聲速建模控制方法研究與實(shí)時(shí)仿真，對(duì)二氧化碳地質(zhì)封存蓋層特性的實(shí)驗(yàn)研究等。研究目標(biāo)為立足湍流和力學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)學(xué)科前沿，面向國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防安全的重大需求，為解決工程實(shí)際中與力學(xué)相關(guān)的核心技術(shù)難題，作出基礎(chǔ)性的貢獻(xiàn)。

波濤洶涌的湍流

2019年，北京大學(xué)工學(xué)院湍流重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室證實(shí)了理想流動(dòng)中的亥姆霍茲渦量定理在一定條件下可通過(guò)構(gòu)造一類(lèi)虛擬環(huán)量保持速度推廣于非理想流動(dòng)。相關(guān)論文“Tracking vortex surfaces frozen in the virtual velocity in non-ideal flows”發(fā)表于流體力學(xué)頂尖期刊Journal of Fluid Mechanics。自1815年以來(lái)，柯西、開(kāi)爾文、亥姆霍茲等學(xué)者曾探索拉格朗日觀(guān)點(diǎn)下的流動(dòng)結(jié)構(gòu)追蹤與研究方法，并于19世紀(jì)中葉提出了理想流動(dòng)中著名的開(kāi)爾文定理與亥姆霍茲定理。盡管該類(lèi)守恒定理已成為現(xiàn)代流體力學(xué)中的核心內(nèi)容之一，但它們?cè)诜抢硐肓鲃?dòng)（可含有黏、斜壓、非保守外力效應(yīng)）中均不成立，故人們通常認(rèn)為在真實(shí)流動(dòng)中無(wú)法精確追蹤渦線(xiàn)與渦面，這也使得多年來(lái)難于深入理解轉(zhuǎn)捩與湍流等流體力學(xué)經(jīng)典難題中的渦結(jié)構(gòu)連續(xù)演化機(jī)理。

實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究指出若將經(jīng)典渦量相關(guān)守恒定理推廣于非理想流動(dòng)，需確定整體光滑的虛擬環(huán)量保持速度，并給出了該類(lèi)速度的存在與唯一性條件，以及相應(yīng)一系列虛擬守恒定理的數(shù)學(xué)證明（包括環(huán)量、渦通量、勢(shì)渦、螺旋度守恒）。隨后結(jié)合多年來(lái)發(fā)展的渦面場(chǎng)方法，利用直接數(shù)值模擬展示了虛擬速度與守恒定理的具體物理意義與應(yīng)用價(jià)值。

該研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)流動(dòng)中的黏性項(xiàng)與渦量正交時(shí)可得到顯式虛擬速度，其流動(dòng)性質(zhì)可與量子流體相似。在該類(lèi)非理想流動(dòng)中可沿虛擬速度精確追蹤渦面，且當(dāng)渦面不經(jīng)過(guò)渦量零點(diǎn)時(shí)渦通量嚴(yán)格守恒。另外，發(fā)現(xiàn)在含強(qiáng)非理想力的磁流體中，利用近似虛擬速度追蹤渦面可有效消除洛倫茲力導(dǎo)致的渦面虛假變形，且闡釋了渦面沿虛擬速度加速重聯(lián)時(shí)會(huì)大幅增加動(dòng)能耗散。因此該研究提出的虛擬環(huán)量保持速度不僅在理論形式上推廣了流體力學(xué)教科書(shū)中的經(jīng)典定理，而且可用于多物理場(chǎng)耦合復(fù)雜流動(dòng)（如可壓縮流、燃燒、磁流體等）中的渦面追蹤等應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

積極的學(xué)術(shù)交流

實(shí)驗(yàn)室與國(guó)際學(xué)術(shù)界保持著密切的學(xué)術(shù)聯(lián)系，在開(kāi)展學(xué)術(shù)交流活動(dòng)方面成果顯著。曾先后與美國(guó)普利斯頓大學(xué)、英國(guó)卡迪夫大學(xué)、德國(guó)Saarlandes大學(xué)、法國(guó)巴黎東大、丹麥技術(shù)大學(xué)、法國(guó)INRIA、德國(guó)卡爾斯魯厄研究中心納米技術(shù)研究所等國(guó)際一流大學(xué)和研究院所進(jìn)行了廣泛深入的合作研究。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室與清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、大連理工大學(xué)、香港城市大學(xué)、寧波大學(xué)、福州大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所、中國(guó)工程物理研究所、第二炮兵設(shè)計(jì)研究院等國(guó)內(nèi)多所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題針對(duì)湍流相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行深入的合作研究，建立了一個(gè)湍流研究的國(guó)際平臺(tái)。

未來(lái)，湍流與復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室將繼續(xù)結(jié)合國(guó)家重大應(yīng)用基礎(chǔ)需求，深入探索湍流領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題，并與國(guó)內(nèi)外相關(guān)團(tuán)隊(duì)針對(duì)湍流相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行深入合作研究，為人類(lèi)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。