人物

控制噪音,增多飞机的航路​——访流体力学专家陈十一院士

2021-05-19 13:43 来源:《大飞机》杂志

 

陈十一 

流体力学专家,中国科学院院士

 

  195610月出生于浙江省天台县,流体力学专家,中国科学院院士、发展中国家科学院院士,2013年至2015年担任北京大学副校长兼研究生院院长;2015年至202011月任南方科技大学校长。 

                          

  湍流是流体的一种流动状态,普遍存在于自然界、工业装置与日常生活中,江河急流、空气流动、烟囱排烟等都是湍流。湍流研究是国家迫切需要解决的重大应用基础课题,是影响国家航空、航天、航海工程成败的关键,是国家重大装备制造的基础。 

  陈十一院士是中国著名的流体力学专家,在湍流领域深耕多年,以他为首席科学家的北大湍流团队和中国商用飞机有限公司、清华大学与北京应用物理与计算数学研究所等一起承担了工业和信息化部《民用飞机气动力预测新方法和优化设计》国家重大专项课题。在接受《大飞机》杂志特约记者采访时,陈十一聊起了湍流方面的各种知识。 

                  

  回归路上的技术转型 

  “湍流无处不在,我经常开玩笑说,流体力学管着世界上四分之三的事情。坐飞机遇到气流会发生颠簸,是湍流造成的;喝咖啡放入牛奶进行搅拌,也有湍流现象发生;航海时会晕船,就是水流发生的湍流现象……整个空气动力学都涉及到流体力学中的湍流问题。”说起湍流研究,陈十一有些兴奋,如数家珍般说了起来。 

  在陈十一眼中,除了固体和湍流没有关系之外,液体、气体和等离子体都与湍流有关。数学家用偏微分方程描述流体力学现象,物理学家关心流体力学中的统计规律,工程领域的科学家关心流体力学问题。 

  陈十一的恩师周培源先生是中国近代力学和理论物理学的奠基人之一,也是世界上四位最杰出的湍流理论先驱之一,是湍流研究中国学派的创立者。周先生先后提出湍流脉动假定,提出湍流统计理论需要考虑脉动速度方程,提出“先求解后平均”的湍流动力学途径的想法,奠定了现代湍流模式的基础。 

  当年,陈十一曾经问周培源:“湍流研究能不能得诺贝尔奖?”周先生的回答是很难拿诺贝尔奖,因为我们无法定义什么是湍流,也无法定义什么是用湍流问题来解决的。后来,湍流领域的重大成果多次被提名诺贝尔物理学奖,诺贝尔奖也曾颁给过与湍流研究紧密相关的低温超流问题与拓扑相变问题。 

                        

  还有很多未解难题 

  湍流是科学家眼中的一个超级难题,是美国《科学》杂志公布的全世界最前沿的125个科学问题之一。 

  陈十一说,美国著名物理学家理查德·费曼曾经说过,湍流问题是经典物理学中最后一个尚未解决的重要问题。作为历经世纪的学科研究前沿,它对数学、力学、物理学、非线性科学和复杂系统等基础科学有着深刻影响,是自然科学中重要的基础科学研究。而在航空航天、地面和水下航行、流体机械、大气和海洋、能源开发、建筑、环境科学和仿生学等众多学科领域中,湍流同时是众多工程问题共有的瓶颈性基础难题。 

  2000年初,美国克雷数学研究所的科学顾问委员会选定了七个“千年大奖问题”,被称为“世界七大数学难题”。陈十一说,七大难题之一纳维叶-斯托克斯(Navier-Stokes)方程的存在性与光滑性,就是湍流方面的数学难题。起伏的波浪跟随着正在湖中蜿蜒穿梭的小船,湍急的气流跟随着现代喷气式飞机的飞行,数学家和物理学家深信,无论是微风还是湍流,都可以通过理解纳维叶-斯托克斯方程的解,来对它们进行解释和预言。虽然这些方程是19世纪写下的,但我们对它们的理解仍然极少。 

  令人高兴的是,中国学者在湍流方向科研上突飞猛进的势头。陈十一表示:“从2000年到现在,中国在SCI期刊发表的关于湍流的论文总量,已跃居世界第二名,中国的湍流研究正在大步前进。” 

                        

  希望为大飞机作贡献 

  陈十一在湍流研究上做出了一系列重要贡献。20世纪90年代初,他打破了直接数值模拟中雷诺数的世界纪录,相关研究成果被国际湍流界广泛引用;首次精确计算出湍流的标度指数和对流扩散过程的标度指数;提出了湍流中的映射封闭理论,成为燃烧和湍流扩散的重要理论与数值计算基础;提出了自然界中大尺度旋涡形成机理,解释了能量反积蓄;提出了湍流中的约束大涡模拟模型,得到了阻力和分离流的精准计算结果。 

  陈十一亦是格子Boltzmann方法的创始人之一,他和合作者在1992年发表的文章奠定了该领域的基础,此方法已被广泛应用于各类工程问题中,包括能源与环境工程、传热传质、燃烧与多相流动、地下渗流与电磁场模拟等。陈十一和他的团队利用多尺度混合算法精确计算了有奇异性的流动现象,此项研究在微纳米流体流动、燃料电池、生物流动系统等方面得到了广泛应用。 

  2005年,陈十一在约翰·霍普金斯大学担任机械工程系系主任。这一年,他收到北大邀请,希望他回国出任工学院创院院长。一面是国外安稳的生活和家庭的团聚,一面是祖国的召唤和内心的向往,几番思量,陈十一毅然回国。 

  令陈十一深感欣慰的是,近年来,国内在进行大飞机领域研究时,应用了他们科研团队研究模拟湍流的数据模型。 

  陈十一告诉记者,未来他的科研兴趣点有三项,首先是海上无人滑翔研究,他对海上波浪很感兴趣,想了解湍流和海洋波浪是如何进行能量转换的;第二是为什么飞机遇到气流会抖动,抖动变形的固体在流体中的运动;第三个是波的问题,飞机起飞时会有噪音,我们能不能控制声波、控制噪音,这样就可以节约机场面积,增多飞机的航路。 

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