26, 7月 2022
流体力学之穿越时空的湍流

作为流体力学中最重要的研究方向,湍流几乎覆盖了所有的工程和科研领域。在过去20多年的时间里,以“湍流”为标题的论文洋洋洒洒,超过5万篇。而关于湍流的思考和科学研究也已经有了几百年的历史,可即便如此,今天的我们仍然没有办法给“湍流”下一个准确的定义或结论。

唐太宗曾有言:“以史为镜,可以知兴替”。为了从历史的角度理解湍流的发展,今天,我们就走近湍流,来一场穿越时空的旅行。

关于湍流最早的描述,大概可以追溯到欧洲文艺复兴时期。在那个群星璀璨的年代,达·芬奇无疑是最独特的一个。作为人类历史上绝无仅有的全才,达·芬奇思想深邃,学识渊博,不仅擅长绘画、雕刻、建筑,还通晓数学、生物、物理、天文等学科。除了《蒙娜丽莎》和《最后的晚餐》等旷世名作之外,达芬奇在自然科学方面也作出了巨大的贡献。

在流体力学方面,达·芬奇总结出河水的流速同河道宽度成反比,这也是连续性方程最早的描述。他还通过对鸟翼运动的研究,于1493年首次设计出一个飞行器。当然,达芬奇在流体力学领域最大的贡献仍然是他基于对流体的观察和思考所绘制的图画。

看着达·芬奇创作的流体相关的画作,感觉仿佛穿越时空一般的神奇。达·芬奇对于湍流细节的掌控,让人不禁怀疑他在穿越的时候是不是带了一台能算CFD的电脑。

艺术和科学在推动人类文明前进中相辅相成。文艺复兴之后,整个欧洲的自然科学领域也仿佛开挂了一般,涌现出了诸多屏霸我们物理课本的大神。流体力学的领域自然也不例外。不过为了从科学上解释和计算流动,大神们选择性的忽略了达芬奇之前在图画中描述的充满着旋涡的混乱流动,而是选择研究理想的流体。

作为经典力学的开创者,牛顿大帝当然也没有放过流体力学。经过大量的实验研究,牛顿于1686年提出了著名的“牛顿内摩擦定律”——流体的内摩擦力(即粘性力)的大小与流体的性质(粘性系数μ)有关,并与流体的速度梯度和接触面积成正比。

1738年,丹尼尔·伯努利在经典著作《流体动力学》中提出了著名的伯努利原理:流体速度的增加与静压的降低或流体势能的降低同时发生, 14年以后,丹尼尔一生的挚友——欧拉才给出通用形式的伯努利方程。当然,欧拉大神对于经典流体力学更大的贡献则是将微分方程应用到了流体力学的领域,并提出了影响后世的欧拉方程,即牛顿第二定律施加到理想流体上的微分方程。

伟大的三剑客的确把经典流体力学推向了前所未有的高度,但无论是伯努利方程还是欧拉方程在真正的湍流面前似乎都显得力不从心。

描述理想流体运动的欧拉方程问世以后,吸引了无数的追随者,然而人们很快便发现欧拉方程的结果总是和实际不一致,主要原因便是欧拉方程没有考虑到流体的内摩擦,即粘性对流体运动的影响。

直到1822年,纳维公开发表了关于流体运动的文章,从分子运动层面阐述了相对运动产生的分子间作用力,文章提到:从大量的经验来看,压力并没有明显地影响运动流体各部分之间的分子作用所产生的阻力,而这些阻力来源于相邻分子的速度大小或方向的差异,即分子间的相对速度。另外,纳维在文章中还明确提及了流动的“非线性”,用数学层面的语言解释了某种混乱的流动。

站在前人的肩膀上,1845年,斯托克斯大展神威,推出了引无数流体人尽折腰的“N-S方程”。作为最普世的流体运动方程,它适用于可压缩变粘度的粘性流体的运动,当然也适合于湍流。至此,湍流问题的数学描述得以实现。

可是让流体江湖万分敬仰的N-S方程却不是一个省油的灯,正如我们在之前的文章中调侃过的,N-S方程就仿佛流体江湖的“葵花宝典”,所有人都知道修炼成功之后便可纵横武林,但是欲练此功就必须要“挥刀自宫”。对于N-S方程来说,这最痛的一刀便是方程中的对流项u·▽u,它具有二阶非线性,如同一座大山一样挡在求解者的面前。而非线性本身便是湍流的一大特征。从此N-S方程便和湍流开启了长达一百多年的纠缠,直至今日。

深得流体力学侠客们热捧的N-S方程虽然1845年就面世了,但很长一段时间以来,人们并没有建立起它和实际湍流流动之间的关联。于是人们将目光从N-S方程转向了湍流本身。

法国著名的机械工程师和数学家Saint-Venant首先在公开发表的文章中区分了 “常规”和“动荡”两种流动状态。后来,人们对这两种流态之间的过渡产生了浓厚的兴趣,大家开始寻求一种解释这种过渡的机制,并寻求一种表征流动不规则、不稳定或者扭曲的标准。

时光荏苒,直到1883年,雷诺通过著名的圆管染色实验,才向人们展示了湍流无规则的流态:随着流速的增加,平稳的流动便逐渐演化为杂乱无章的流动,即为湍流。这大概是我们在教科书上第一次遇见湍流的样子。然而,彼时的雷诺还不知道这种杂乱无章的流动在后世被称为“湍流(turbulence)”,他也不知道后来有一位量子力学的大神——索末菲用他的名字命名了一个神奇的无量纲数——雷诺数。

雷诺实验的第二年,雷诺在《Nature》上发表了一篇关于“水的两种运动方式”的论文,描述了两种流动状态之间的过渡,其中有一段比喻很有趣:一支小型部队很容易在行动中遵守秩序和纪律;而一支庞大的军队则更有可能出现混乱。“平稳的流动”类似于一支训练有素的军队,而“弯曲或不稳定的流动”就像是一支处于“斗争”状态的部队。雷诺在文中用军队的规模、行进速度、纪律等来类比影响流动状态的流动尺度、速度和粘度。当然,在文章中,雷诺还提及了扰动对于湍流触发的影响。

雷诺实验的经典之处就在于通过科学的实验向人们展示了两种流态之间的过渡以及它们之间的差异。雷诺使用了扭曲、旋涡、不稳定、横向流动等等诸多的形容词形容一种复杂的流动,却唯独没有提到“湍流(turbulence)”。直到威廉姆·汤姆森(William Thomson)在1887年发表的两篇论文中才首次明确使用“湍流(turbulence)”来定义某种复杂的流动。

威廉·汤姆森研究了倾斜的平面流动,并且在文章中提到,当流动是湍流时,流体内部会产生明显的干扰,这种干扰会产生额外的粘性效应。汤姆森进一步建议将流动的两种状态分开,一面是剪切流或层流,另一面,则是湍流或动荡的流动。这是公开发表的文献中第一次以“湍流(turbulence)”的名词来清晰的定义大家熟知的湍流。

或许是汤姆森在流体力学领域的地位还不够显赫,他提出“湍流(turbulence)”很长一段时间以后并未得到整个学界的广泛认可。直到20世纪初,Boussinesq开始在论文中统一使用湍流(turbulence)一词。随后,现代流体力学的祖师爷普朗特和他的徒子徒孙们也开始全面使用湍流(turbulence)一词。再之后,湍流不仅仅成为一个所有人认可的名词,更是成为了一个专门的研究领域。

再次回到湍流问题的数学求解,雷诺实验让人们亲眼目睹了‘速度’这一物理变量的复杂性,而速度紊乱的时空演化本质上就是N-S方程的实际解,然而湍流本身的复杂性使得N-S方程在求解湍流时显得捉襟见肘。

不过所幸,对于很多工程问题,我们并不需要完全求解湍流。比如工程上更关心流动的压力损失和平均速度分布,而非湍流的细节。雷诺实验五年以后,雷诺才幡然醒悟,既然流动未可知,不妨使用统计学的思想——对N-S方程进行平均,把瞬时速度u分解为时均速度ū和脉动速度u’,代入N-S方程即可得到雷诺平均的N-S方程,也就是RANS。

然而雷诺平均的N-S方程似乎更复杂了,除了平均速度的应力,上式中还多了脉动应力项,称之为雷诺应力,成为新的拦路虎。不过所幸,在雷诺提出对N-S方程进行速度平均的十几年前,即1877年,Boussinesq 便将湍流脉动引起的切应力类比成了牛顿内摩擦定律,即用粘度乘以速度梯度来表示湍流脉动引起的切应力,也就是雷诺对N-S方程进行速度平均多出来的雷诺应力项。这就是大名鼎鼎的涡粘性假设:雷诺应力=μt*(ū/y),其中的μt体现了湍流脉动引起的切应力,称为涡粘性系数。至此,湍流在数学求解层面出现了真正的破局。

尽管雷诺和Boussinesq指明了湍流数学求解的方向,然而道路上却充满了沼泽和泥泞,直到咱们的祖师爷——普朗特于1924年提出了混合长度理论,湍流的计算从数学表达到工程应用这座桥梁才逐渐变得清晰。

我们知道流体的粘性来自于分子自由运动产生的掺混,与分子运动自由程密切相关;而对于涡粘性,也可以类似的定义湍流脉动掺混的长度,称之为混合长度,其物理意义为流体微团耗散前所经历的距离,因此脉动速度可以表示为混合长度与Y向速度梯度的乘积,而涡粘性系数则可以相应的表述出来。因此,只要知道了混合长度,便可以明确涡粘性系数,进而求解雷诺平均的N-S方程。

然而混合长度的准确值也很难得知,于是普朗特继续发扬了“跟着感觉走,天下在我手”的科学精神,大胆的认为混合长度与到壁面的距离成正比,从而得到了CFD领域第一种实用的涡粘模型。1978年, Baldwin和Lowmax基于湍流边界层内外层的流动差异提出了更合理的B-L模型,即针对湍流边界层的内层和外层分别定义混合长度。

混合长度模型是代数模型,相当于直接用代数公式定义了涡粘性系数,被称为零方程模型。而我们熟知的k-epsilon模型及其变种(如k-omega模型等),也属于涡粘性模型,该模型针对混合长度继续演化,将其表示为湍动能k、湍流耗散率epsilon和湍流脉动速度的函数,而涡粘性系数便可由k和epsilon导出。普朗特之后,湍流的求解再次进入到了一个全新的时代,直至今日。

可是,当我们再次回首湍流的时候,似乎仍然无法准确的给它下个定义,而前人在描述湍流的时候,出现频率较高的词汇也多是复杂的、多尺度的、混沌变化的、无序的、充满旋涡的等等。湍流似乎成为了无序的代名词。

下图为某风洞喷口的剪切层涡量分布,在剪切层最开始发展的阶段,流动呈现明显的规律性,涡的大小和强度都比较单一,在涡的内部仍可以认为是层流的状态。而随着流体向下游发展,掺混作用增强,大涡不断破碎为小涡,小涡则进一步破碎并逐渐消耗,化为流体的内能,这个阶段才能称之为完全发展的湍流。

对于湍流来说,无论刚开始生成的大尺度涡有多豪横,最后都会慢慢破碎成小涡,直至消亡。于是,湍流的无序中似乎又多了一份有序。1922年,爱写诗的理查德森(Richardson)发现湍动能串级过程。大尺度涡从外界获得能量并输出给小尺度涡;小尺度涡则像一个耗能机械,把湍动能全部耗散为热能;而流体的惯性犹如一个传送机械,把大尺度涡的能量源源不断的输送给小尺度的涡。

1935年,泰勒开始研究更理想化的湍流。他在风洞实验的均匀气流后设置了几排规则的格栅,均匀气流流过格栅时便产生不规则扰动。这种不规则扰动向下游运动过程中,由于没有外界干扰,逐渐演化为各向同性湍流。

有了湍流能级串的定性认识和泰勒的均匀各向同性理论,深知“万物皆可统计”的柯尔莫果洛夫敏锐的认识到湍流也可统计。于是柯大侠就使出了“统计”的第一招,即柯尔莫果洛夫的第一相似性假设:如果小涡的尺度足够小,那么它是无法直接感受到各向异性的大涡的,因此小尺度的涡可以认为是局部各向同性的,也就是说,能级串中各级传递特征相似,且由于此尺度范围内粘性几乎不起作用,因此传递速度相同,并等于最终的能量耗散率ε。

为了进一步的揭示湍流的奥秘,柯大侠紧接着使出了第二招,即第二相似性假设:对于尺度为G的流动结构,如果ηGL(其中η为耗散尺度,L为宏观尺度),那么此尺度范围的涡不仅不受大尺度各向异性的涡的影响,也不受耗散尺度的涡的影响,而其含能仅取决于能量传递速率ε,与粘性也无关。

最后,柯大侠使出了一招平平无奇的量纲分析,在1941年提出了湍流世界最著名的-5/3幂律,并在众多学者的实验中得到了验证。当然随着湍流理论的不断发展,人们也发现了柯大侠的K41理论并非完美无缺,不过这并不妨碍它成为湍流研究史中最耀眼的一章。

柯大侠的理论不仅开启湍流理论研究的新篇章,也为后世使用LES和类LES方法求解湍流提供了理论依据。

人类与湍流相知相识的百年之路坎坎坷坷,我们一直在靠近湍流,却似乎却从未真正的拥有过它。自柯尔莫果洛夫之后,尤其是近几十年,伴随着CFD算法的兴起,人们把前人留下的湍流理论在应用层面发挥到了极致,而湍流的长河却犹如流进了更为宽广的汪洋大海。

“日月之行,若出其中;星汉灿烂,若出其里”,在令人眼花的CFD结果面前,湍流理论仍不动声色的掌控着局势。或许它也在等待,等待下一位大神的出现。

24, 7月 2022
大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室

大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(英文缩写LASG)依托于中国科学院大气物理研究所,成立于1985年,是中国科学院首批边建设、边开放的实验室之一。在中国科学院和国家科学技术部、国家自然科学基金委员会以及国家计划委员会的直接领导下,在大气物理研究所各届领导和各职能部门的大力支持下,经过几代人的不懈努力,LASG从白手起家,通过艰苦创业发展成今天的在国际上有重要影响的大气科学和地球流体力学研究中心和人才培养基地。从LASG成立到现在的17年中,我们不仅取得了丰硕的研究成果,而且培养了一批优秀人才,形成了一支稳定的、实力雄厚的大气科学研究队伍,使得我们在过去4次国家评估中,成为全国仅有的2个连续4次获得优秀的国家重点实验室之一。尤其,在2000年的最近一次国家评估中,LASG荣居地学口榜首。实验室现任主任是王斌研究员,学术委员会主任为吴国雄院士,学术委员会海外主任为夏威夷大学气象系Bin Wang教授,学术顾问委员会主任为叶笃正院士。

回顾LASG走过的发展历程,我们深深地感到,开放、流动、联合、竞争的八字方针、依托单位大气物理研究所的优先支持和实验室的科学管理措施是LASG发展之根本。

LASG之所以能从白手起家,在短短的17年内发展成为国际知名的实验室,与依托单位中科院大气物理所的支持和倾斜政策是分不开的。中科院大气物理所是中国最早从事现代自然科学研究的八个研究所之一,也是中国气象事业的雏形,有 全国气象人才摇篮之称,著名的气象科学家竺可桢、赵九章、涂长望、卢沃、叶笃正、顾震潮、陶诗言、曾庆存、周秀骥、巢纪平、黄荣辉、吴国雄和李崇银等就是该摇篮在不同时期涌现出来的杰出人才的典型代表,他们为中国气象事业的发展做出了重大贡献。在老一辈科学家的辛勤耕耘下,大气物理所这块肥沃的土地上已长出朵朵绚丽的鲜花。LASG正是这些鲜花中的佼佼者。她集中了大气物理所在天气和气候研究方面最优势的研究力量,配备了最好的计算环境和良好的办公条件。这是LASG能够吸引优秀人才、稳定研究队伍的重要因素。在LASG创立初期,各方面的条件都比较差。研究所对实验室给予的充分重视和全力支持,成为实验室发展的强大后盾。在实验室主要创始人、当时的实验室主任曾庆存院士的领导下,通过实验室全体成员的艰苦奋斗,LASG在成立后第3年(即1988年)就在第一次国家评估中获得优秀,并于次年(1989年)晋升为国家重点实验室。LASG在后来的发展过程中,研究所一直给予了积极的支持,室与所之间能够很好地协调配合,所的各个职能部门在行政和后勤方面提供了全力帮助和可靠保障,为LASG的发展壮大奠定了坚实的基础,也是LASG连续四次在国家评估中获得优秀的重要前提。

实验室除了有依托单位作为强大后盾外,自身内部还必须有先进的管理体制,这是实验室长远发展的重要前提。实验室的组织结构、队伍建设、经费使用、项目申请、绩效考核、设备更新和合作交流等都需要有科学、民主的管理体制,这样才能充分调动实验室成员的积极性,发挥各自的学科优势和特长,多出创新成果。

LASG自成立以来,一直采用学术委员会指导下的主任负责制。实验室的学术委员会是实验室发展的掌舵人。实验室的研究方向、奋斗目标、重大学术活动以及实验室内部规章制度的制订等,都必须经过学术委员会的审批和把关,从而保障实验室研究方向的正确性和规章制度的合理性。实验室领导班子则根据所制订的研究方向和规章制度具体负责实验室的日常运行和科研管理。

LASG历届学术委员会主任都是由把握国际国内学科前沿发展方向的著名气象学家担任。德高望重的叶笃正先生曾担任过第二届学术委员会主任,曾庆存院士分别担任过第一届、第三届和第四届的学术委员会主任。新一届学术委员会主任由吴国雄院士担任。值得一提的是,在新一届学术委员会中,新增加了一位海外主任,专门负责实验室与国外的国际合作,取得很好的成效。

LASG历届主任都是由本学科杰出的学术带头人担任。前面四届的实验室主任都是院士,新一届实验室主任为国家杰出青年科学基金获得者。与前面四届相比,新一届领导班子成员真正实现了年轻化,平均年龄40岁,最年轻的副主任只有32岁。另外,我们也确保了新班子成员的科研素质。我们的新班子中有两位国家杰出青年基金获得者和一位中科院百人计划获得者,还有一位全国第一届百篇优秀博士论文获得者和中科院优秀博士后。

自LASG成立以来,实验室学术委员会根据不同时期大气科学和地球流体力学的前沿问题及其发展特点,确定了实验室的研究方向,并设立几大课题作为实验室的课题指南。各届之间保持很好的衔接和连续性,确保实验室的平稳过渡。

为了在实验室的研究方向上突出重点,有所为有所不为,根据国内外学科发展趋势和国民经济建设的需要,以及知识创新时期对国家重点实验室的新要求,经过充分讨论,我们对实验室原有的研究方向进行修改和完善,确定实验室新的研究方向为:研究和发展地球流体(大气和海洋)宏观演变规律和机理的系统理论;研究天气和气候动力学理论,掌握天气、气候系统变化规律及其异常的发生机制,进行数值模拟并发展模块化数值模式系统,为提高预测能力,预防和减轻天气、气候灾害,合理利用气候和水资源提供新理论新方法。根据新的研究方向,我们明确了实验室的研究重点:气候问题的研究。由于气候系统模式是开展气候研究最有效的研究工具,为了充分发挥实验室在数值模拟上的优势,我们选择气候系统模式发展作为实验室未来的突破点,并以一点带动全局的策略,推动实验室研究工作的快速发展。根据国际上气候系统模式发展的新动态,我们提出了《气候系统模式联合发展计划》,其目的是以LASG为基地,联合国内外优秀模式专家和骨干,集中财力和物力,发展有中国自主知识产权的气候系统模式。该计划经过了实验室学术委员会的审批,得到国家自然科学基金委、中国科学院和国家科技部等部门以及依托单位大气物理研究所的大力支持,也得到国内绝大多数同行专家的赞赏。

实验室目前在岗研究人员共48人,其中42人获得博士学位。年青研究人员都是博士,在48人中,研究员26人,其中院士4人,博士生导师19人。副研究员16人,助理研究员5人。实验室45岁以下的青年科学家36人,占实验室人员总数的75%,是一支高水平、高素质的年轻化研究队伍。在这支队伍中,国家杰出青年基金获得者3人,中科院百人计划3人。另外,还为外单位培养百人计划2人。

实验室研究队伍是一个多元结构的队伍,年轻人充当运动员,在科研的第一线冲锋陷阵。资深前辈担任教练,严格把关。知名外籍学者和专家担当顾问,出谋划策。这也是我们目前的用人策略。

LASG不仅是我国大气科学的一个研究中心,同时也是一个人才培养基地。从实验室成立到现在,培养研究生和博士后共228人。其中硕士99人、博士106人、博士后23人。每年培养研究生和博士后的总人数也在逐年增加,从1985年的1人,发展到2001年的19人,其中硕士毕业5人,博士毕业10人,博士后出站4人。在LASG培养的研究生和博士后中,已有相当一部分人已成大气科学研究的学术带头人,如一位中国青年科学家奖获得者、三位国家杰出青年基金获得者和五位百人计划获得者都是实验室自己培养出来的。另外还有百名优秀博士论文获奖者两位,中科学院青年科学奖获得者四位,国氏全国优秀博士后奖获得者一位和中国科学院十大优秀博士后奖获得者一位。

围绕着实验室的研究方向,LASG积极组织室内科学家申请研究项目。在1996年到1999年四年期间,实验室先后主持国家和省部级科研项目100项,参加的项目13项,合计113项,总经费约2000万元。而且每年由科研人员争取的经费总数呈上升趋势。从95年的131.5万元,到99年的965万元,上升速度很快。到2000年和2001年,我们争取的经费分别达到了1156万元和1676万元。2001年主持的研究项目主要有:国家973项目13个课题,国家自然科学基金41项,中国科学院知识创新工程重要方向项目2项。值得一提的是,973项目我国重大气候和天气灾害的形成机理和预测理论研究是由我们实验室固定成员黄荣辉院士主持。另外,我们还主持了一个信息口973项目大规模科学计算研究的第一课题。在基金项目中,国家杰出青年基金二项,海外杰出基金二项。今年的研究项目估计比去年更上一层楼。在去年973项目和基金项目等的基础上,新增加了国家杰出青年基金1项,中国科学院知识创新工程重要方向项目1项,国家攻关项目专题4个。多年来,实验室的科学家们在研究项目的争取中充分展示了他们雄厚的研究实力和非常强大的竞争力。

自1996年以来,实验室与海外的合作已突破原有的人员交流框架,进入了实质性合作阶段,我们与美国能源部、美国国家大气研究中心、美国国家海洋大气局、德国马普气象研究所、欧洲中心、法国国家科研中心、日本名古屋、香港城市大学等世界诸多的研究单位有着频繁交流和密切的合作,主要合作计划项目多达19项。目前,我们正与美国夏威夷大学国际太平洋研究中心联合研制适合于东亚区域的大气环流模式LASG-IPRC AGCM。

我们实验室设立了一个学术顾问委员会,其中近半数成员是海外著名学者,如美国的Gates、英国的Hoskins和德国的Bengttson等都是世界顶尖的气象学家,Hoskins今年还评选为中国的外籍院士。由于这些专家参与我们研究计划的制订,这样就保障了我们在研究方向上的先进性和前沿性。

值得一提的是,我们国际合作的另一个重要转变是实验室的科学家已经开始参与国际重大研究计划的决策,并在国际重要学术组织中任职,如在国际气象和大气科学协会(IAMAS)担任执行局执行委员,在国际气候变化和可预报性研究计划(CLIVAR)和全球能量和水分循环试验研究计划(GEWEX)中担任科学指导小组成员,在国际CLIVER计划亚奥季风工作组担任委员等,这表明了LASG在国际学术界越来越重要的地位。

在实验室管理方面,我们采取主任工作会议制度,重要事情由主任工作会议决定。新一年的研究计划由实验室四个研究组先提出具体方案,然后由主任工作会议汇总,最后报请实验室学术委员会批准执行。我们已制定了一套比较完整的规章制度,包括实验室固定成员的管理规定、青年流动站管理规定、研究生管理规定、开放课题管理规定、学术活动管理规定、国际合作管理规定、论文奖励条例等。尤其,从去年7月份开始,我们将财务公开,每月把实验室财务明细账张贴在通知栏里,接受全室成员的监督。今年从5月份起,又开始实行值班主任制度和行政、支撑人员签到制度,进一步完善实验室的管理体制。

我们实验室有一个金字塔式的三级计算机系统。这是我室研究人员从事科研的最核心的工具。我们有一个技术支撑系统,专门有人负责网络和硬件设备的维护和支持,以保障实验室的正常运行。去年我们还专门从科大招聘了一个有计算机专业文凭和气象专业文凭双学位的大学毕业生,专门负责气象软件开发、帮助科研人员把大型模式并行化,以提高工作效率。数值模式和模拟是我们实验室,也是整个大气科学的重要研究工具和手段,计算机是我们赖以发展的最关键的科研设备。没有计算机的不断更新,就不可能运行和发展逐步完善和复杂的、计算量呈指数增长的高水平的数值模式。这将直接影响我们实验室,甚至我国科学家,在有关天气和气候动力学过程和机理研究的深入。可以说,实验室连续四次在国家评估中获优,与每次评估后及时更新计算机设备有着密切的关系。

目前,实验室与研究所一起正在进行计算机更新工作。在中科院和科技部的支持下,我们共筹集约2000万元经费,准备配备一套计算速度近万亿次的计算机系统,为实验室和研究所科研人员提供强有力的计算平台。

LASG自成立以来,由于依托单位的大力支持和实验室内部的科学管理,经实验室成员不懈的努力,在模式发展、气候预测、气候动力学和地球流体力学的方法和理论等方面取得了优秀的成果和重要的进展,多次参加国际模式比较计划、在大型重要国际会议上作特邀报告、在重要国际学术组织担任职务、参与国际研究计划的决策等,使得我们实验室成为了一个具有国际知名度的大气科学研究中心。我们参加的最早的一次国际模式比较计划是1995年7月国际权威的全球大气模式比较计划(AMIP),当时全世界有32个大气环流模式参加了这个比较计划,测试了6项性能指标,我们的模式在比较计划中展示出良好的性能,成为通过5项测试的三个优秀模式之一。其它两个模式分别是美国和日本的。1999年,我们实验室参加了耦合模式比较计划(CMIP),我们的耦合气候系统模式在降水、表面气压和表面温度的模拟以及CO2的加倍试验中,效果很好,是一个优秀的模式。另外,我们还参加过国际陆面过程模式比较计划(PILPS),国际生态系统比较计划(EMDI),均取得好的成绩。

我们的科学家在1992年至1999年8年间在国际国内核心刊物共发表论文669篇,其中SCI论文97篇。每年发表的论文总数在逐年增加,1999年的论文数比1992年翻了一番,尤其SCI论文的增长速度最快,后4年是前4年的4倍。2000年发表论文的情况比1999年又有进一步的改善,总共发表129篇,其中最突出的是SCI论文,共有35篇,差不多是1996年到1999年4年SCI论文总数的一半。按实验室在岗研究人员计算,去年几乎平均每人发表了一篇SCI论文。2001年的情况2000年更好,发表论文总数达到140篇,其中,SCI论文59篇。

由于我们的科学家在研究工作中取得了突出成绩,实验室从成立到现在共获国家级和省级奖励共27项,其中国家奖6项(二等奖3项,三等奖3项),院一等奖11项(自然科学奖6项,科技进步奖5项)。有一项院自然科学一等奖是去年获得的,获奖人是穆穆研究员。

总之,实验室在调整研究方向,制定短期创新规划,组织开放课题,人才培养及科学民主管理等方面都进行了一系列的探索,在科研上取得了若干突破性的进展,积累了许多的经验。但在知识经济,人才激烈竞争的时代,我们也面临着新的更大的挑战。但我们坚信,有科技部作为国家重点实验室的坚强后盾,有科技部制订的《国家重点实验室建设与管理暂行办法》为实验室的建设和发展把握方向,在主管部门中国科学院的直接领导下,在依托单位大气物理研究所的全力支持下,LASG一定能取得新的、原创性的高水平研究成果,开创LASG新的辉煌,在知识创新时代做出新的贡献。

欢迎国内外同仁与LASG开展合作和交流,欢迎有志于从事大气科学和地球流体力学的青年学者来室工作。

21, 7月 2022
中国空气动力研究与发展中心首发流体力学可视化软件

中国日报12月18日电(记者 赵磊)由中国空气动力研究与发展中心科研人员历经4年研发的国产计算流体力学可视化软件NNW-TopViz周五在成都正式发布。这是国家数值风洞套装软件全体系的首次“合龙”,标志着我国流体力学软件在自立自强道路上迈出了关键一步。

据项目相关负责人介绍,该套装软件可实现高精度的流体计算机仿真模拟,计算各项气动性能,帮助研究人员直观、有效地洞察流场数据的内涵与本质,快速、准确、全方位地把握流场要素特征信息、流动机理和变化规律,可广泛应用于航空航天、地面交通、能源动力等领域。

据介绍,由中国空气动力研究与发展中心联合国内数十家优秀单位共同建设的国家数值风洞工程,将在我国计算流体力学领域建成拥有自主知识产权、面向国内开放共享、达到世界一流水平的标志性战略基础设施。目前已发布NNW-GridStar等多种软件。本次流场可视化软件NNW-TopViz的发布,是国家数值风洞套装软件的首次“合龙”,正式完成套装体系。

由此,我国数值风洞工程完成了对流体力学计算全流程的覆盖,具备对该领域进口商业软件的整体替代能力,打破了流体力学工业软件“卡脖子”之痛。

据了解,相关研发机构将继续紧盯流体力学相关的国家需求,带动全国100余家航空航天部门、科研院校、制造企业共建共享,推动相关工业软件生态圈的深度融合。

除3名感染者外,安徽合肥1528.4万人次均为阴性!明起陆续解除隔离观察

19, 7月 2022
国家数值风洞套装软件迎来首次“合龙”

人民网成都12月19日电 (记者宋豪新)12月17日,中国空气动力研究与发展中心研发的国产计算流体力学可视化软件NNW-TopViz在四川成都发布。这是国家数值风洞套装软件全体系的首次“合龙”,标志着我国流体力学软件在自立自强道路上迈出了关键一步。

据介绍,国家数值风洞工程由中国空气动力研究与发展中心联合国内数十家优秀单位共同建设,将在我国计算流体力学领域建成拥有自主知识产权、面向国内开放共享、达到世界一流水平的标志性战略基础设施。目前已发布网格生成软件NNW-GridStar、流场仿真软件NNW-FlowStar、“风雷”开源软件NNW-PHengLEI,本次可视化软件NNW-TopViz的发布,是国家数值风洞套装软件的首次“合龙”,正式完成套装体系。

该套装软件可实现高精度的流体计算机仿真模拟,计算各项气动性能,可广泛应用于航空航天、地面交通、能源动力等领域。

12, 7月 2022
全新流体力学模块 最大转速比9500rpm 玛莎拉蒂911 GT3 RS袭来

开展冬天检测。据了解,新汽车可能应用最新的流体力学模块,新汽车预估会在2021年内宣布公布并发售交货。

外型层面,检测的车子并沒有应用厚实的掩藏开展包囊,总体的设计理念可以十分明确的见到,车子正前方很可能会应用主动型流体力学系统软件,前旅行箱盖紧的2个极大镂空雕花自然通风张口分外醒目,前包围着的款式与911 GT3基本相同,但关键点上却被应用胶布开展了遮盖,没法见到实际款式,预估会与GT3车系有显著的差别。

车体侧边及其尾端也都选用了全新升级的流体力学模块,例如翼子板上设定了规格极大的轮拱通风孔。但是,最引人注意的或是造型设计与规格十分浮夸的鹅颈式尾翼,依据外媒报道,这套尾翼可以依据时速积极调节视角,以确保安全在汽车行使中仍然可以确保充分的下工作压力。

驱动力层面,新汽车将再次配备4.0L自吸水平对置汽车发动机,功率预估要比上一代车系的383kW(520大马力)略高一些,并配对双离合变速器。而且,据传闻这台汽车发动机的最大转速比可做到9500rpm。(信息源:motor1)

5, 7月 2022
建设“双一流”!宁波大学引进一批高层次力学人才

中国青年报客户端讯(中青报•中青网记者 李剑平 通讯员 游玉增)5月19日,流体力学著名专家、浙江省特级专家、国家杰出青年基金项目获得者林建忠教授,世界知名的冲击动力学专家、原新加坡国立大学副校长Shim教授以及潘建华、陈晖、林骥等力学学术骨干正式加盟宁波大学。

据悉,力学学科是宁波大学入选国家“双一流”的学科,近年来取得了长足的发展,但也面临着领军人才数量不足、人才梯队有待优化等短板,急需高层次领军人才加盟。

此次引进的五位力学人才中,林建忠教授学科专长和研究方向为多相流、纤维悬浮流、微流体力学、湍流及拟序结构、流体机械。他是流体力学领域著名专家、国家杰出青年基金项目获得者。原新加坡国立大学副校长Victor Shim教授是世界知名的冲击动力学专家,主持创建了新加坡国立大学冲击动力学实验室。他的研究领域包括材料的动态力学行为、多孔材料、3D打印微晶格、高强度织物装甲的弹道穿透、防护结构的冲击响应等。潘建华、陈晖、林骥等三位青年才俊在力学领域也颇有建树。

随着多位高层次力学人才的加盟,加上今年年初宁波大学已引进的交叉力学著名学者、国家杰出青年基金项目获得者、浙江大学求是特聘教授吕朝锋教授,宁波大学力学人才队伍建设进入新阶段。

此外,宁波大学还优化学科建设口径,强化顶层设计,凝练研究方向,打造1个学科高峰(“爆炸与冲击动力学”)、3个学科高地(“智能结构与器件力学”“多相流与非牛顿流体力学”“极端环境材料力学”),拓展“力学+土木、机械、信息、能源、海洋、环境、生命、体育”等交叉领域的“1+3+N”学科结构布局,建立学科特区制度、给予政策资源倾斜、构建举校推进机制等。

4, 7月 2022
统计物理学家眼中的流体力学

“请你谈谈非等熵的稳态可压磁流体力学方程在持续等离子体约束受控热核聚变中的应用。”

哭笑不得之际,我们不禁要问,流体力学到底是干啥的?难道流体力学专业的娃儿只能给领导端茶倒水吗?

作为力学的重要分支,流体力学主要研究在各种力的作用下,流体的状态、运动规律以及流体与外界的相互作用。地球人对流体都不陌生,我们呼吸的空气、喝的水,都是流体。那么流体力学研究中又是如何分类流体的呢?

自然界中的流体都有粘性,统称为粘性流体或实际流体。比如我们搅拌蜂蜜时会感受到粘滞的作用,而飞机飞行所受的阻力也很大程度上来源于空气的粘性。由于实际流体的粘性,使得流体运动的研究变得非常复杂。为了便于理论分析,在流体力学中引进了“理想流体”的概念。理想流体就是没有粘性的流体,当然这是一种假想的流体,实际中并不存在。但研究无粘流体的运动,可以使问题大大简化,容易得到流体运动的基本规律。

对某些粘性影响不大的流动问题,忽略粘性所得到的结果与实际结果往往差别不大。而对于必须考虑粘性作用的流动问题,除了使用更典型的有粘方法,也可专门对粘性作用进行分析,然后再对理想流体的结果进行修正和补充。

作为世界物理学界Top2的男人,牛顿除了被苹果砸到,发现各种牛X定理,霸屏整个中学物理课本之外,连流体也不肯放过。经过大量的实验研究,牛顿于1686年提出了著名的“牛顿内摩擦定律”——流体的内摩擦力(即粘性力)的大小与流体的性质(粘性系数μ)有关,并与流体的速度梯度和接触面积成正比。

大量实验证明:大多数气体、水和许多润滑油都能很好的遵循上述的牛顿内摩擦定律,即当压力和温度一定时,流体的内摩擦应力与速度梯度成正比。这种满足牛顿内摩擦定率的流体称为牛顿流体。需要指出的是,尽管我们平时接触到的大部分流体都是牛顿流体,仍有一些流体比如生物流体、高分子聚合物的浓溶液等,不能遵循牛顿内摩擦流体,称为非牛顿流体。

我们知道,N-S方程描述了基于连续介质假定的牛顿流体的动量守恒。“连续”是一个比较直观的概念——“剪不断,理还乱”,正如我们宏观所见的流体。不过在流体力学层面,有一个无量纲数可以作为衡量连续与否的标识——这便是努森数(Kn),其定义为分子平均自由程长度与典型的物理尺度之比。

基于努森数的定义可以知道,努森数越大,意味着物理尺度和分子平均自由程越接近,分子的离散效应越强,研究中越不能忽略分子之间复杂的作用力;反之,努森数很小,意味着物理尺度远远大于分子自由程,不再关注分子团内部的相互作用,转而研究其宏观状态的密度、速度、压力等参量。

下图给出了基于努森数定义的流体状态,其中Kn小于0.001,则认为流体满足连续介质的假设。常温常压下的分子平均自由程约为70nm,由此可以估算自然环境下,0.07mm的物理尺度即可满足连续介质假设,因此工程上绝大部分的流动问题都可以认为是连续流体,满足N-S方程的前提条件。

对于努森数足够大的流体,比如极稀薄气体,可以直接使用分子动力学进行描述,利用汉密尔顿方程求解。而二者之间还有滑移流体和过渡流体等不同的类别,分别对应有专门的描述方法。

除了上面提到的牛顿流体、连续介质假定两个前提条件,N-S方程还有一个局限——它只适用于大尺度的缓变行为,也是我们通常所说的“热动平衡”或“准热动平衡”的状态,此时分子的热动松弛时间(恢复到局部热动平衡的时间)远远小于宏观尺度。现实中大部分流动问题都属于这两类。而非热动平衡状态,比如冲击、爆炸等,宏观流动的特征时间也极短——以至于分子的热动松弛不可被忽略。

说完了实质,再看看形式——流体力学的两种主要描述方式:拉格朗日法和欧拉法。

在经典场论中,拉格朗日法(又称体系法)是研究流场内个别流体质点在不同时刻的位置、流速、压力等参数的变化。也就是用随时间的变化来描述流体质点的运动参数,各质点运动状况的总和就构成了整个流体的状态。

欧拉法(又称控制体法)是研究整个流场内不同时刻,不同位置上的流体质点的参数。它把注意力集中在选定的空间点上而不是选定的流体质点上。因此,欧拉法确定的是占据流场中的全部流体质点的瞬时流动参数。

为了更形象的对比欧拉法和拉格朗日法,小编整理了上面这幅图:拉格朗日法就好像是跟在鸭子后面划船,而欧拉法则更像是在站在桥上数多少鸭子游过去。需要特别说明的是,最早提出这两类研究流体方法的人都是欧拉。

前面铺垫了这么多,目的还是把玻尔兹曼这尊大神娓娓的请出来。当然在此之前,还有必要先来捋一捋经典力学描述流体的方式。

流体的基本方程本质上是质量、动量和能量守恒方程,而N-S方程只是在宏观上基于连续介质假定,利用偏微分方程描述粘性流体流动的运动方程,仅仅是流体基本方程的一种表达方式。而N-S方程反映的就是牛二定律F=ma。我们先来回顾一下用欧拉法描述的N-S方程的推导过程:

除了上述的动量方程之外,我们同样可以推导微分形式的质量和能量守恒方程,此处不再赘述。而反观另外一种描述流体运动的玻尔兹曼方程,则会看到一种完全不同的奥妙。

1859年,麦克斯韦发现在宏观系统中追踪每个分子的运动轨迹难以实现,于是产生了统计平均的概念。麦克斯韦认为,任意时刻单个分子的速度和位置信息并不重要,分布函数才是描述分子效应的重要参数。速度分布函数给出了在某一给定时间,速度在一定范围内的分子在整个系统中所占的百分比。当气体处于热动平衡状态时,气体将均匀的分布,而唯一的未知量就是速度分布函数。

这种方法并非直接描述流体的速度、压力等宏观变量,也非直接描述每个流体分子的微观运动,而是用统计的方法描述空间内流体粒子的速度分布。其描述方式介于宏观和微观之间,被称之为介观。玻尔兹曼更进一步将麦克斯韦分布推广到任意大系统,他第一个认识到熵的热力学概念和大系统状态的统计分析之间的紧密联系,即宏观变量中系统的熵随着时间增大,与微观分子排列的最大可能数相对应。

任意大系统虽然不像麦克斯韦的描述那么平均,但会趋向于平均。比如我们用活塞将盒子内的分子都压到一侧,松开活塞后,分子将迅速扩展到整个盒子空间并趋于均匀分布。

对于这样的过程需要有更详细的数学描述。于是,玻尔兹曼输运方程及其质量、动量和能量守恒方程便呼之欲出了。通过这些方程先求解出粒子的介观分布,进而可推导出宏观属性。

至此,我们可以对玻尔兹曼眼中的流体力学做个总结:使用拉格朗日方法观察处于介观尺度下的流体粒子的分布规律,并使用统计学思路研究其输运与守恒,并通过积分将介观的速度分布函数和宏观的物理量建立联系。

也许,很少有人关注细小砂砾的运动,而它恰恰是形成各种复杂山体结构的本源。如果说传统CFD方法是“通过外表看现象”,那么LBM方法则更像是“通过本质看现象”。

无论是N-S方程还是玻尔兹曼方程,都是描述流体运动的解析方法。面对实际问题复杂的边界和初始条件,最终还是要回归到离散求解的数值方法。

对于N-S方程的数值求解,最常规的有限体积法(FVM)的思路就是在流体域的每个离散控制体网格上分别施加方程进行求解;格子玻尔兹曼方法(LBM)同样也是在格子上对玻尔兹曼方程进行时空的离散,只是对付这个简单的线性方程,其数学处理要简单的多。

当然,无论是LBM还是N-S数值方法的构建,都是可以看成对最基本的大量微观粒子运动的合理粗化。如果只在离散的格子内研究其速度分布函数,并将粒子的运动简化为只沿有限个特定的方向,则演化为LBM;而基于连续的牛顿流体和近热动平衡的假设,在有限的单元内研究流体的宏观参数,则演化为N-S方程的数值方法。

两种数值方法主要区别见下表,可见这是两套完全不同的思路和实现方法。LBM虽是求解粒子的速度分布,形式上是一种统计的方法,但其本质上仍是追踪离散粒子的运动,最终获取整个流场的粒子状态,是一种比N-S方程更接近物理本质的描述。

流体力学从入门到放弃,大概只需要一杯咖啡的时间。至此,相信小伙伴们可以放心大胆的向领导回复:“领导,饮水机在哪?要不要给您泡点茶叶?”