鄒文楠以新視角探索湍流問題
不詳 ?佚名 ? 2011年05月01日 ? ?科學(xué)前沿
湍流是流體的一種流動(dòng)狀態(tài)，又稱紊流，因其混亂、曲折、不規(guī)則，在日文文獻(xiàn)中被稱作“亂流”。湍流是一種普遍存在的自然現(xiàn)象，因其與航空航天、水利、氣象、化工、建筑以及高能物理等眾多領(lǐng)域相關(guān)，對(duì)它的預(yù)測(cè)和控制研究成為自然科學(xué)的基本問題之一。
對(duì)湍流的科學(xué)研究于1883年由雷諾開創(chuàng)，其提出的雷諾平均方法和雷諾方程是湍流理論工作的基礎(chǔ)。由于湍流現(xiàn)象極其復(fù)雜，對(duì)它的研究一直缺乏有效的實(shí)驗(yàn)手段，而理論方面不同立場(chǎng)的人對(duì)它又有不同的看法，因此，100多年過去了，湍流研究仍處于潮汐式的循環(huán)狀態(tài)，沒有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，科學(xué)界至今仍無法給出湍流的公認(rèn)的科學(xué)定義。但這絲毫不影響科學(xué)家們對(duì)湍流研究的熱情和執(zhí)著，南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心、工程力學(xué)研究所鄒文楠教授就是湍流研究的熱衷者。
鄒文楠從1994年讀碩士研究生期間，就對(duì)湍流產(chǎn)生了興趣，后來他分別以《力學(xué)中高階張量與湍流運(yùn)動(dòng)的理論研究》的博士論文和《湍流思問錄》的博士后出站報(bào)告總結(jié)了自己對(duì)湍流的研究和看法。
鄒文楠通過引入開放的質(zhì)元模型和微分幾何語(yǔ)言，用速度場(chǎng)和渦旋場(chǎng)描述了湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；利用變分原理推導(dǎo)新的湍流運(yùn)動(dòng)控制方程，給出了湍流狀態(tài)的精確定義；采用簡(jiǎn)單的線性本構(gòu)方程，分析了湍流運(yùn)動(dòng)方程的渦旋結(jié)構(gòu)特征，解釋了湍流運(yùn)動(dòng)的一些基本特性，如強(qiáng)衰減、不光滑性、分叉、猝發(fā)間歇和準(zhǔn)周期性等，同時(shí)利用數(shù)值計(jì)算初步研究了平面槽道流動(dòng)、平面和三維的后臺(tái)階流動(dòng)，揭示了渦旋場(chǎng)和速度場(chǎng)之間的耦合關(guān)系，顯示了湍流的三維性和豐富結(jié)構(gòu)。鄒文楠的思路和方法開創(chuàng)了湍流宏觀理論研究的一條新途徑。
在《湍流思問錄》中，鄒文楠又分別在湍流脈動(dòng)信號(hào)分析和湍流理論建模兩個(gè)方面作了一些新的探索和思考。
在湍流信號(hào)分析方面，鄒文楠在已有統(tǒng)計(jì)分析模型的基礎(chǔ)上，提出了平均速度結(jié)構(gòu)函數(shù)的概念，得到具有顯著尺度界限的分段相似律；在認(rèn)識(shí)到湍流標(biāo)度特性起源于局部性結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將湍流信號(hào)看作非穩(wěn)態(tài)隨機(jī)過程的表現(xiàn)，提出對(duì)湍流典型結(jié)構(gòu)的時(shí)頻分析和層次分解；通過對(duì)已有時(shí)頻分析方法的考察，提出湍流激發(fā)的極點(diǎn)分析模型，將湍流擬序結(jié)構(gòu)和隨機(jī)漲落進(jìn)行分離，通過模態(tài)分解發(fā)現(xiàn)了湍流信號(hào)的一個(gè)有序認(rèn)識(shí)途經(jīng)，即認(rèn)為湍流信號(hào)由一系列頻譜基本分離的有序的模態(tài)信號(hào)疊加而成，每個(gè)模態(tài)則由一系列頻譜交疊的或孤立或糾纏的小波狀時(shí)頻原子排布而成，并指出湍流信號(hào)能譜只有粗?；饬x上的收斂性和標(biāo)度性，而且這種標(biāo)度性與各層次模態(tài)的標(biāo)度行為有關(guān)。
在湍流理論建模方面，鄒文楠在湍流渦旋場(chǎng)理論的基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步的細(xì)化和發(fā)展，從湍流信號(hào)層次性、流體動(dòng)力學(xué)客觀性、連續(xù)介質(zhì)幾何變化等多個(gè)角度指出用新的獨(dú)立場(chǎng)量——渦旋場(chǎng)描述湍流渦旋的必要性，從湍流動(dòng)力平衡過程重新推導(dǎo)了控制方程，分析了其中的對(duì)稱性和動(dòng)力學(xué)特征；接著以平面流動(dòng)為例，建立了渦旋場(chǎng)的幾何圖象及其粘性作用機(jī)理，指出湍流源于流動(dòng)方向和粘性摩擦力的不平行導(dǎo)致的渦旋演化，并進(jìn)一步從動(dòng)力學(xué)方程的分解、整合中分析湍流擬序平均流動(dòng)、大尺度渦旋結(jié)構(gòu)和小尺度渦旋運(yùn)動(dòng)的演化特征以及互相耦合、轉(zhuǎn)化的機(jī)理。此外，鄒文楠還對(duì)自己進(jìn)一步要開展的工作進(jìn)行了梳理。
鄒文楠認(rèn)為理論的發(fā)展離不開實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，他渴望能借助先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段和計(jì)算分析進(jìn)一步驗(yàn)證自己的理論。
湍流的研究呼喚新的思維，無論在實(shí)驗(yàn)分析方面還是在理論建模方面，鄒文楠一直以不懈努力踐行著自己新的理念和思路，孜孜以求。他深深懂得湍流的復(fù)雜，但他堅(jiān)信“湍流也在遵循著大自然的一個(gè)基本法則：用最小的消耗達(dá)到最高的效率。湍流的曲折迂回并不只是為了消耗能量，湍流渦旋的千變?nèi)f化也一定有一個(gè)簡(jiǎn)單的目標(biāo)”，相信通過不懈努力，“湍流那美妙絕倫、充滿契合的真實(shí)圖像一定會(huì)在我們面前展開”。
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