RESEARCH ON MULTI-PROCESS PROBLEMS IN EXTREME FLOWS
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摘要: 极端流动是指流体在极端条件下的运动, 已成为流体力学的前沿领域; 多过程是流动基本过程和物理化学等过程的总称, 刻画了流体流动的本质特征. 本报告将介绍流动基本过程研究的进展和极端流动多过程问题面临的挑战与展望.Abstract: Extreme flow is the fluid motion under extreme conditions and has become an important frontier of fluid mechanics. Multiple processes refer to flow fundamental processes coupled with multiple physical and chemical processes, and characterize the intrinsic features of fluid motion. This presentation will introduce the progresses in the research of flow fundamental processes and propose the challenges and prospects of the multi-process problems of extreme flows.
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Keywords:
- extreme flow /
- multiple processes /
- discipline development
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力学是关于物质相互作用和运动的科学, 研究介质的运动、变形、流动过程, 揭示其与物理、化学、生物学过程的作用规律. 流体力学是力学学科的重要分支. 在总结流体力学的发展历程和重大需求中前沿问题的基础上, 我们提出了“极端流动”和“多过程”的概念. 极端流动是指流体在极端条件下的运动, 多过程则是流动基本过程和物理化学等过程的总称, 也是极端流动的本质特征.
2024年6月24日习近平总书记在全国科技大会、国家科学技术奖励大会、两院院士大会上的讲话指出: “科学研究向极宏观拓展、向极微观深入、向极端条件迈进、向极综合交叉发力, 不断突破人类认知边界. ” 这里以我们2023年获批的国家自然科学基金委基础科学中心项目“极端流动的多过程问题研究”为例, 讨论如何以多过程研究作为流体力学前沿探索的出发点, 不断突破人们对极端流动问题的认知边界.
在超常规的速度、尺度、温度等极端条件下, 流动基本过程呈现出变化剧烈和耦合复杂等特性, 且往往与不同的物理化学过程紧密耦合, 对流体力学的前沿基础研究提出了严峻挑战. 因此, 需要从多过程概念出发研究极端流动, 旨在获得新理论、新方法、新技术等方面的原创性成果, 建立极端流动多过程的理论和方法体系, 推动流体力学与物理、化学等学科的交叉融合, 形成以多过程及其耦合研究为核心、具有重要国际影响的学术高地.
在国家重大需求和基础科学发展的推动下, 极端流动已成为流体力学的前沿问题. 极端流动广泛存在于超高速飞行器、大尺度风沙运动等重大科技工程和自然界的问题中, 涉及超高速度、极大尺度等极端条件和多物理化学过程. 为了解决国家重大需求中的关键和瓶颈问题, 亟待建立具有普适性的理论和方法. 同时, 极端流动的基本特性和基本规律尚不清楚, 例如极端条件下旋涡和界面等流动基本结构的演化规律等, 这些共性基础问题构成了流体力学研究的最前沿. 因此, 极端流动多过程研究不仅为航空航天工程和风沙治理等国家重大战略提供坚实的科学支撑, 而且能极大地推动流体力学及相关学科的发展.
多过程研究是流体力学发展的突破口. 流体力学发展史就是不断探究流动基本过程(即剪切、压缩和热力过程)的历史. 上世纪初, 现代流体力学之父Prandtl通过考虑黏性剪切过程提出了边界层理论, 解决了物体绕流的阻力问题, 奠定了现代流体力学基础. 上世纪中, 随着飞行器速度的越来越快, 带来了一系列与高速流动相关的难题, 钱学森和郭永怀研究了高速流动中压缩过程, 解决了飞行器接近声速时的“声障”难题, 还通过引入热力过程, 解决了高速飞行器气动加热所带来的“热障”难题. 进入新时代, 极端流动已成为流体力学的核心问题, 往往还涉及复杂的物理化学等过程, 基于多过程研究极端流动问题是一个必然趋势.
极端流动所蕴涵的关键科学问题通常既具有共同性又具有特殊性, 这里以超高速流动和大尺度风沙流这两类极端流动为例加以说明. 一方面, 众所周知, 现代流体力学源于 Prandtl 科学地考虑了流体的黏性剪切效应, 该效应通常用雷诺数来表征, 其定义为“速度 × 尺度/流体黏性系数”, 被公认为流动的最重要无量纲参数. 由雷诺数的定义可以看出, 超高速流动的极高速度, 或者大尺度风沙流的极大尺度, 都会带来极高雷诺数, 从而使得这两类流动都具有与极高雷诺数相关的共性科学问题. 还需特别指出的是, 流体力学最高奖 Batchelor 奖获得者 Smits 教授在2021年世界力学家大会特邀报告中强调: 极高雷诺数流动是一个挑战性前沿科学问题. 另一方面, 超高速流动的极高速度会带来强压缩性, 大尺度风沙流的极大尺度会带来强热浮力效应, 用无量纲参数来表征则分别对应于极高马赫数和极高瑞利数, 它们又会带来这两类极端流动关键科学问题的特殊性. 因此, 以重大科技工程中的超高速流动和自然界中的大尺度风沙流等为代表来研究极端流动问题, 能够更全面地探讨极端流动的关键科学问题.
当前, 极端流动多过程研究面临着新挑战. 第一, 在极端流动条件下, 流动基本过程变化极为剧烈, 剪切、压缩和热力等过程往往不再线性依赖于物理变量, 需要建立流动基本过程的非定常、非线性、非平衡理论. 第二, 流动基本过程之间相互交织, 如极端条件下压缩过程通常还伴随着剪切和热力等过程, 导致极端流动中多过程不能采用解耦和线性叠加等方法来研究, 需要建立非线性耦合等方法. 第三, 国家重大需求中的极端流动问题不仅涉及流动基本过程, 往往还涉及复杂的物理化学过程, 例如: 超高速流动涉及极高马赫数, 存在非理想状态方程、非平衡、化学反应等效应, 在流动基本过程之外还需引入相应的物理化学过程; 大尺度风沙流是气-固两相的极端流动, 具有极高的摩擦雷诺数和瑞利数, 必须考虑热力效应、剪切过程以及颗粒、气流、可蚀地表间的多物理过程及其耦合效应. 因此, 极端流动中多过程的剧烈化及其相互耦合的复杂化, 对流体力学研究提出了严峻挑战, 带来了一系列重要的基础科学问题并简述如下.
极端流动条件下 Prandtl 边界层理论是否仍然适用？由于极端流动涉及多过程及其耦合, 基于黏性剪切过程的边界层理论面临新的挑战. 例如, 超高速流动的速度、温度、多物理场边界层及其与化学反应等多过程的相互影响, 会带来哪些新的流动物理规律？极端流动的强非定常性对边界层流动规律有没有本质的影响？极高雷诺数流动的边界层结构, 尤其是在复杂颗粒流的耦合作用下, 是否发生本质变化？复杂颗粒动力学及其与多物理过程的耦合对边界层有何影响？在上述因素影响下, 基于Prandtl思想的边界层理论是否适用仍有待回答.
极端流动条件下多过程基本特性如何？极端流动往往会导致流动基本过程的剧烈化、主导过程的多元化、过程耦合的普遍化, 给多过程研究提出了新问题. 例如, 在超高速流动中, 强烈的气动加热带来的多过程基本特性及其相对重要性是否发生根本性变化？在极高雷诺数风沙流中, 存在颗粒与不同尺度旋涡的强非线性作用以及颗粒碰撞、摩擦起电等物理过程, 此时 Kolmogorov理论能否适用？回答上述问题并揭示多过程基本特性, 是建立极端流动多过程理论和方法的关键.
极端条件下流动基本结构生成演化有何本质变化？旋涡和界面是流体运动的基本结构, 也是多过程耦合的重要载体. 流动基本过程的加剧及其与多物理化学过程的耦合导致这些流动基本结构的非常规生成与演化, 带来了新的问题. 例如, 流体本构关系的变化、多物理场的耦合作用下是否存在旋涡和界面生成演化的新规律？界面处物理化学过程与流动基本过程的耦合能否触发多相湍流混合的新机制？在超高速流动中激波干扰是否存在新类型？复杂颗粒动力学及其与多物理过程的耦合对流动基本结构有何关键影响？上述基础问题研究的突破, 有助于理解极端流动的基本特性、解决极端流动的核心科学问题.
回答这些重要的基础科学问题, 必须创建极端流动的多过程理论和方法体系, 进而解决国家重大需求中的瓶颈问题. 一方面“勇于探索、突出原创”, 探索极端流动中基本结构与基本规律、极端条件下的边界层理论和湍流基本特性等; 另一方面“应用牵引、突破瓶颈”, 聚焦国家重大需求(如超高速飞行、风沙治理等)中的瓶颈问题, 从多过程及其耦合研究出发解决其中的关键科学问题, 提供创新概念和理论的支撑. 因此, 针对极端流动的多过程问题, 我们需要在突出原创、突破瓶颈两个层面上展开基础研究, 突破人们对极端流动问题的认知边界, 构筑多过程问题研究的学术高地, 服务国家重大需求.
陆夕云, 中国科学技术大学教授, 中国科学院院士. 他是长江学者特聘教授, 国家杰出青年基金获得者, 国家自然科学基金委基础科学中心、创新研究群体和教育部创新团队学术带头人. 长期从事湍流、旋涡动力学、生物运动力学和界面流动等方面的研究.
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