流体力学有哪些值得研究的领域?

本文摘录自由郑哲敏院士领衔的多名院士起草的《自然科学学科发展之战略研究报告》 1湍流

湍流理论的发展，经历了唯象理论，统计理论，模式理论等阶段。其中的模式理论，虽然带有一部分经验常数，但却是目前唯一可以在工程技术问题中解决具体问题的理论。今后仍应不断地研究改进以解决更多的工程技术问题。统计理论主要适用于均匀各向同性湍流，更多的是着眼于理解湍流的物理机制。近年来由于从数值模拟中发现了一些独特的现象，在西方国家又吸引了一批力学家和理论物理学家，提出了一套新的理论模型，取得了新的重要进展。

60年代末确认的在剪切湍流中存在相干或拟序结构，为湍流研究开辟了一个重要方向，从此湍流被公认为具有确定性与随机性，有序和无序并存的系统。近年来，由于实验手段及数值模拟的进展，对其现象已有较多的认识。已经提出了一些理论来解释其生成的原因。相干结构是一种有组织的大尺度结构，在湍流的输运中起着主导作用，对其控制或影响，可以改变湍流的某些性质，例如传热能力或摩阻。人们开始改变了长期以来认为物体愈光滑，在流体中运动时所受的阻力就愈小的概念。已经发现，在物体表面上刻划上适当形状的沟槽，反而可以降低阻力。这一技术，已经在大型远程客轮、赛艇，甚至于游泳衣上试用并证实是有效的。

相干结构的研究，还可能在对我国有特殊意义的泥沙问题的研究上提供新的思路。传统的理论用河流底层的平均速度作为已沉降泥沙能否被冲起的判据。而实际更有意义的是河流底层的相干结构在起动泥沙中起主导作用。在实际观测中发现的底层泥沙成块起动而不是一大片同时起动，是这种观点的一个有力印证。

流动稳定性理论是研究从层流变为湍流机理的理论。多年来也取得了很大的进展。其线性理论的研究对应用数学中的“渐近匹配法”也起了很大的推动作用，其非线性理论的发展，则为现正蓬勃发展的非线性科学提供了重要的分析手段。它的发展，还有不少事先意想不到的副产品。例如自由剪切流中相干结构的成因，已能用流动稳定性理论成功地加以解释，从而为其控制提供了理论指导。在航空航天技术中的涡系的生成与控制，以及为使潜艇隐身而降低或抑制其噪声所牵涉到的涡系控制等，也都有可能由流动稳定性理论提供机理性的指导。即使是壁湍流中相干结构的生成，也与流动不稳定性有关。因此，作为湍流研究的一个重要方面，流动稳定性的研究也应放在一个重要方面。

随着计算机科学的飞速发展，湍流的数值模拟已经成为研究湍流运动的一个重要分支。通过数值计算，复杂的湍流运动有可能在计算机中模拟出来，如前面提到的相干结构等，数值模拟为研究湍流机理、湍流控制与湍流利用提供了有效手段，湍流数值模拟因而也成为目前国际上湍流研究的主流之一。湍流的数值模拟一般可划分为直接数值模拟、大涡模拟及以二阶矩模式为代表的模式理论，后者又可看作是特大涡模拟。直接数值模拟的研究成果已经揭示了物体表面如槽道湍流的运动特性，并为建立合理的模式理论提供了依据;直接数值模拟由于受计算机硬件的限制，应用它来解决工业问题尚有很长的一段路要走。然而，湍流的模式理论，以及在不久的将来的大涡模拟，则可直接服务于工程流动问题。因此，发展湍流模式理论与大涡模拟方法在我国有着重要而实际的意义。

我国湍流研究在周培源教授开创性工作的带动下，已形成了一批力量并取得了一批成果。几个高等学校和力学研究所在湍流的基础研究上已形成了各自的特色，也有一些高等学校和与工程有关的研究院所则在湍流的工程计算上投入了力量。由于湍流现象的普遍性，绝大部分运动的空气和水流都是湍流，所以湍流研究的任何一个重要进展，都会**提高人类认识自然的能力，也会对一大片工程技术问题的进展提供有力的手段。所以我国应当并且也有可能把现有的力量组织起来，协同攻关，以期在不远的将来，使我国在湍流研究上进入世界先进行列。

2分离、旋涡运动的机理及对其控制和利用的研究

分离和旋涡运动是飞行器、船舰运动中最普遍的现象。特别是现在对作战飞机提出了越来越高的机动性及敏捷性的要求，这就使飞机经常在大攻角和非定常的状态下飞行，不可避免地会产生大范围的分离及更复杂的涡系，极易造成飞机受力的不对称及失去控制。目前对定常条件下涡系的生成机制及其稳定性已有一定的认识，但在非定常情况下的认识还很不够。对一些已观察到的现象还不能提供机理性的说明。

大攻角下流场及涡系失去对称性以及非定常飞行时气动力随攻角变化滞后现象等等，都是湍流运动的结果，也都是典型的分岔和非线性现象。对其研究不能指望用一般的已有的非线性方法或理论来解决。但反过来，这些问题的研究，却有可能对整个非线性科学提供新的内容和手段。

对于流动的分离，经过多年的努力，包括我国科学家的工作，对在定常情况下分离的机制及控制，已有比较充分的了解。但在非定常情况，甚至连分离的判据还没有一个公认的说法。而流动的分离，是很多非线性现象产生的原因。

同样，在定常情况下，一些涡系的产生及其稳定性，已有一些认识。特别是前述流动稳定性理论的进展，提供了很有用的工具。但在非定常情况下涡系的生成及其稳定性，就认识得很不深刻。在这方面，我们在充分利用现代计算技术的前提下，应该借鉴前苏联的经验。前苏联的计算手段不如美国，但他们却已经制造出了其机动性和敏捷性令西方国家吃惊的飞机。其根源就是前苏联一贯重视流体力学的基础研究，对流动的机理有深刻的理解。

空-空导弹的高机动性要求，同样会导致上面所述的各种现象。我们如果不重视这方面的基础研究，必然导致我国在这方面的落后。在未来可能发生的战争中，就要吃大亏。

未来大型超音速民航机的发展，降低噪声是能否使用的关键技术之一。噪声的最主要来源当然是喷气噪声(顺便提一下，50年代提出的流体动力噪声理论，与传统的声学有很大的不同。实际上开辟了声学研究的一大领域。这也可以说是流体力学对物理一个重要分支——声学的重要贡献)。现已发现，喷气噪声与尾喷管**的射流中产生的大尺度相干结构有关。在超音速飞行，甚至在高亚音速飞行时，尾喷管射流中可能产生由相干结构演化导致的周期性的“小激波”，可能是重要的声源。相干结构实际是某种形式的涡，这里再一次提出了研究涡系形成机制并对其进行控制的重要性。

目前我国在基金委的支持下，已经连续两次设立了重大项目，目标越来越明确，并已取得了一批成果，应该坚持下去。

3水动力学问题

船舶制造已有长远的历史。似乎对一般船舶，从流体力学角度看，已经不存在什么原则上的困难。但事实并非如此，船舶行进时所产生的头波阻力，至今也没有准确的算法。以至于还要进行费时费力的船池拖曳实验。其根源在于自由表面条件的非线性，船舶边界层中湍流经常处于非平衡状态以及在局部地区形成了碎浪，使得理论处理十分困难。有理由提出，在现代计算技术飞速发展的条件下，我们应该下力气克服这一困难，使船舶阻力的计算有一个可靠的方法，使船舶的设计转到更现代化的手段上来。

船在大浪中航行时，会产生强烈的砰击作用。即船艏先被大浪抬起，继而向下而进入下一个波峰之下，大量的水涌上或拍击到甲板上。这会造成船的前部相继受到巨大的正、负弯矩而导致破坏。自1987年以来，已有十多艘在北海航行的巨轮受到破坏。对这种砰击所产生的载荷，至今没有一个计算办法，靠加大安全系数的办法是一个极不经济的办法。若用提高钢板强度要求的办法来解决，则因一艘大船所用的钢材要以万吨计，显然是很不经济的途径，因此这一问题值得认真研究。整个问题，必须包含正、反两个方面。即由已知有旋流场或海流，推出波浪参数变化，同时要研究从已知的波谱变化，反推有旋流场及海流。并进而推导产生包含有旋流场的潜艇航向、航速、深度及位置，这自然要包括潜艇航行时尾迹特性及其演化的研究。所以这是一个内容丰富而复杂的问题，在学术上和应用前景上均有重要意义。

潜艇航行时，会产生尾流，从而在艇后产生一有旋区。传统的波浪理论都是在流体无旋的假定下进行的。波浪从无旋区向有旋区传播，其参数会产生相应的变化。如能了解波浪参数的变化，则有可能由空中探测到的波谱反演出潜艇的航迹，从而为探测潜艇提供一个新的方法。

为防潜艇被探测，还要尽量减少其噪声。在低速航行时，主要噪声源是螺旋桨及艇体的振动。这些振动与螺旋浆后产生的各种涡系及螺旋桨与艇体凸出体产生尾流，包含其中可能有涡系相互作用有关。因而从机理上深入研究这些涡系产生的原因及其控制，是一个重要的方向。这方面尽管实践的经验很多，但从机理上研究的还不多。

当前，沿海大国把注意力转向新型高速大型“船舶”的发展。原苏联已建成名为“里海怪物”的新“船舶”，可载人400多，时速达350km/h。这种“船舶”从水中航行开始，迅速升出水面，大部分时间贴近水面飞行，好处是： 既增加升力，又对雷达探测起到隐身作用。要研究的流体力学问题有水面的增升效应以及与波浪的相互作用。

4非线性水波和风浪相互作用问题

波浪理论也有很长的历史，如前所述，其发展对非线性科学产生了重要的影响。特别是孤立波，波的共振，波的各种不稳定性等是非线性科学的有机组成部分。

但是在波浪理论中，还有一大块有待开发的领域。这就是风浪相互作用问题。这是在大洋上每时每刻都在发生的现象。它有两个重要方面。一方面，风的作用产生了浪，浪的破碎在水表层(>10米量级)产生了湍流混合层。另一方面，还伴随着海气间热量及质量的交换。这是整个地球环流的一个重要环节，是长期天气与气候预报中必须了解的一环。这一问题由于水波的非线性以及包含有碎浪、白帽、表层湍流、风的阵发性等复杂因素，目前还没有很好的理论予以解释。甚至于在仅含规则波而且不包含热量交换的情况下，也还没有一个令人满意的理论。所以从研究大气环流的需要看，只能靠一些现场观测和经验公式来处理。影响现场观测的因素太多，不可能得到可靠的因果关系，至少对其机理应该进行更深入的研究，然后才有可能从实测资料得到更可靠的规律。过去的研究，缺少系统的实验室研究，特别是包含热量、质量交换时的研究。有理由相信，如果能在实验室中建造能包含热量、质量交换的风浪槽，把理论研究和实验研究紧密结合起来，能够把这一困难问题的解决，向前推进一大步。

风浪相互作用的研究还是最近国际上正在探索的通过遥测波谱来探测海面上20米范围内风速的基础。

5多相流及非牛顿流体力学问题

在石油化工等许多重要的产业部门涉及到大量的多相流及非牛顿流问题。比如：化工是国民经济中一个极为重要的产业，既提供多种产业所需的原材料，也提供很多中间产品或最终产品。而化工生产中牵涉到大量的多相流及非牛顿流问题。

一个化工产品，从实验室开始到大规模生产，其中要经过小试、中试等阶段。这主要不是因为化学反应不清楚，而是流动状态不清楚。据说美国在某些情况下，已能免去小试、中试等过程，原因就在于他们对某些设备的流体力学问题弄得比较清楚。

与化工有关的问题多半是多相的、多组分的，并伴有相变及化学反应的，流动边界也是极为复杂的。例如各种塔板上一般有很多凸起的带帽的孔，液相在塔板上流，气相则从下顶起盖帽，穿过孔洞流上来，在此过程中完成传质、传热或其它物理、化学过程，其复杂性可想而知。因此要想彻底弄清，得到一个普适的公式是不现实的。更现实的方法是针对一些典型的设备，进行一些深入的、机理性的研究，并配合必要的实验及经验，这样是有可能取得重要进展的。

又如在搅拌器中力图把物料混合均匀。近年来，由于流体力学基础研究取得的进展，已使人们认识到混合实验上有三个层次。首先是大尺度运动使物料达到大范围均匀化，同时小尺度结构使物料间的接触面迅速增加，而由分子扩散完成最终的混合或使不同组分物质相互扩散渗透而产生所需的化学反应。这个看法看起来似乎是显而易见的，但对各层次进行定量描述则必须对流动，包括湍流有深入了解。这方面还有很多工作要做。近年来发展起来的分形和混沌理论，实际上已和这类问题结合起来了。

这里特别应该强调的是： 近年来，以电流变液为代表的新一代智能材料引起了人们极大的兴趣，这是一个非牛顿流体中有广泛应用前景的新的家族。作为一种固液两相悬浮液，在外加电场作用下，电流变液的粘性会迅速增大，从牛顿流体变为非牛顿流体。其响应时间一般仅为毫秒量级，并且是可逆的。电流变液所呈现的奇特的力学特性和流动规律给流体力学的研究提出了一系列新的问题，启示我们通过流体力学和其它学科的不断结合开拓出新的概念和交叉学科。由于电流变液的广阔应用前景，作为一类新颖的粘性可控的非牛顿流体，今后应大力加强对这一领域的基础和应用研究。

6计算方法的研究

由于计算技术的发展，数值计算作为一种研究手段，已越来越多地渗入到各种学科中去。反过来，各种问题的需要，又促进了计算方法的研究和发展。在这方面，力学起着十分突出的作用。以结构力学为起点而兴起的有限元方法，在固体力学中起着重要的作用，并早已推广到很多其他学科中去了，由于流体力学计算的需要，有限差分法的发展则起了决定性作用。为了计算包含复杂激波系的复杂流场，已经发展了各种高精度、高分辨率、无振荡的格式及其理论，并已在实际中得到应用。这方面仍需进一步的发展。在将现有基本方法用于真实复杂物体绕流计算方面，在网格生成和计算方法上仍有待突破，这是计算流体力学能否解决实际复杂问题的关键。湍流数值模拟的需要，对计算机的速度和内存，提出了更高的要求。看来单纯从提高机器速度及内存已无法满足要求，因此已有人尝试其他的途径。例如玻尔兹曼格子气的方法，在细观的层次考虑物理机制，将流体力学问题离散化使每一步的计算**简化。总之，湍流数值模拟方法的研究将仍是十分活跃的研究领域。

有可动边界，如水波等的自由表面问题，边界条件引起的非线性影响不能忽略，其计算方法至今仍是一个难题，有待继续研究。

随着计算机硬件技术的发展，已提出大规模并行运算的设想。当前应注意针对某几类典型问题，研究和设计快速有效的并行算法及与之配套的专用的并行计算机。可以设想，将来有一天，也许可以为计算网格(不管用什么方法离散化)的每一个节点设置一个微处理器，这种计算实际上几乎是实时进行的，与真实流动一样。

我们相信，将流体力学计算的需要，和计算技术的硬件及软件技术发展结合起来，有可能在科学计算上取得重大的突破。

7实验技术的研究

由于计算机技术、光学技术、图像技术等方面的不断进步，**推动了流体力学实验技术的发展。粒子图像测速技术(PIV)的空间分辨率已达毫米量级，精度可达0.2%。目前该方法仍在研究中，已经注意三维PIV技术的研究。实时PIV(DPIV)技术也是一个很有吸引力的研究方向。粒子迹线测速(PTV)技术在二维测量中已成熟，其三维技术也是国际上的热门课题。PIV和PTV作为全流场测试技术，对认识流场时空结构像湍流、非定常流等复杂流动提供了有效的测量手段，值得加强这些方面的研究。在测速方面，激光测速技术是另一有前景的发展方向。在压力测量方面，发展高精度、高灵敏度、动态性能好、尺寸小及各种压力量程的压力传感器仍然是研究的重点。在密度测量和温度测量方面也有进展。对复杂流动空间密度场的定量测量仍然是一个十分困难的问题，应加强研究。如何将近10年来发展起来的热图技术(thermography)更好地用于温度场测量也是一个重要的研究方向。

流体力学问题的研究越来越深，对实验技术的要求也越来越高，尤其在三维复杂流动及实时测量方面，我们期待取得新的进展。

8渗流力学的研究

渗流指多孔介质内的流体运动，渗流的研究从地下水的流动开始。经典的达西(Darcy)公式在水利界早就得到广泛应用，至今地下水的渗流仍是水利工程建设、地下水的利用、城市地面沉降、沿海地区的海水入浸等一大批与国计民生有重大关系的问题所必须研究和解决的课题。

但近代渗流力学的发展，更多地是与能源工业，特别是石油工业联系在一起的。简单地开采只能把地下储油的一小部分开采出来，要想提高采油率，不得不对石油的渗流以及在注水或其他表面活性剂后的多相流的机理的细观水平上进行深入的研究。这就使渗流的研究水平**提高了一步。

我国科学家通过由他们创造的渗流观测模型，观测到了存在几种不同的水驱油机制，以及添加不同表面活性剂所起的不同的作用。近代非线性科学中分形和混沌理论的引入，更使这方面的研究有了新的思路。目前这方面的研究，大体上还处于定性描述的阶段，但已对我国石油开采做出了重要的贡献。如能进一步开展工作，对其规律有进一步的了解，对我国这样石油资源相对并不富裕的国家将会产生巨大的经济效益。

煤层气的开采，是另一种潜在能源，在美国已初步形成产业。我国煤藏十分丰富，在这方面的前景十分可观。但煤层气田和常规天然气田有许多不同之处，一系列问题急需解决，渗流物理机制和其力学规律首当其冲。例如，绝大部分气都紧紧吸附在煤层孔隙及微缝的内表面，而不是简单地充满孔隙，很多基础问题需要研究。

渗流力学不但和上述各种工程和工业有关，而且也是了解很多生物体内体液流动机理的基础。例如高大树木从根系吸收水分后如何输运到离地几十米的枝叶，至今仍是个谜。动物体内的体液除了一部分明显地在管道中，如血管中流动外，大部分是以渗流形式在运动，其流动规律已经肯定不服从传统的达西定律。对其研究将对生命科学和生物技术提供重要的理论基础。

还有一些对国民经济有重要意义的产业都有其各自的渗流问题。如青海盐湖卤的渗流伴有结晶过程，地下热能的开发中的渗流伴有相变等等。在地学中，矿液在地下岩石中的输运、集中是成矿过程的一个重要部分，核废料储存中有关的渗流问题，都牵涉到液体渗流和岩石断裂的相互作用，具有重要的理论意义。所以，渗流力学有着重要的理论与应用价值。

9高温热、化学非平衡流

这是近年发展航天飞行器提出的新的重要流动问题。有两个应用方面，一是研究飞行器高超声速飞行时，外部高温气流产生的气动力、气动热和等离子体环境的计算。这些都是气动设计和通讯设计所需的。二是研究吸气式发动机内H2、O2气体的流动，包括点火、燃烧、吸气和排气，这是设计吸气式发动机所需的。

在60年代，对有化学反应的高温气流已作了许多研究。但当时仅考虑了化学反应非平衡效应，而热力学上则假定是平衡的。这对再入导弹这类飞行器，其真实气体效应不太显著的情况是可以的。当今发展具有升力的航天飞机，真实气体效应相当重要。此时热平衡的假定常常带来显著偏差，必须考虑热和化学均为非平衡的流动。与此对应，何种化学反应模式最为合适，也提出了与60年代不同的见解。这就是当今高温空气动力学正在探索的热、化学非平衡流的模式问题。目前已提出了两方程、三方程及多方程模式，何者合宜，与之相应还有各种温度的计算问题，都需要研究。在H2、O2燃烧流动中，由于过去研究不多，模式问题更为突出，同时，超声速流中H2、O2气体的混合问题、点火问题都急待解决，需要从流体力学出发研究H2、O2最佳混合方式及点火方式。

同时，描述热、化学非平衡流动的方程组是很复杂的，如何快速、有效地求解则是另一个重要问题。困难还在于方程组的刚性及多个方程必须耦合计算。

第三个方面是要研究非平衡流动的局部模拟。在现有条件下，全模拟是做不到的。但如能提出某些局部模拟规则，对开展实验研究是重要的。

开展热、化学非平衡流的研究，需要反应的化学动力学常数和热物理参数，还需研究表面催化效应，这些都要物理力学的帮助。

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