控制噪音，增多飛機(jī)的航路

涵薏

湍流是流體的一種流動狀態(tài)，普遍存在于自然界、工業(yè)裝置與日常生活中，江河急流、空氣流動、煙囪排煙等都是湍流。湍流研究是國家迫切需要解決的重大應(yīng)用基礎(chǔ)課題，是影響國家航空、航天、航海工程成敗的關(guān)鍵，是國家重大裝備制造的基礎(chǔ)。

陳十一院士是中國著名的流體力學(xué)專家，在湍流領(lǐng)域深耕多年，以他為首席科學(xué)家的北大湍流團(tuán)隊和中國商用飛機(jī)有限公司、清華大學(xué)與北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所等一起承擔(dān)了工業(yè)和信息化部《民用飛機(jī)氣動力預(yù)測新方法和優(yōu)化設(shè)計》國家重大專項(xiàng)課題。在接受《大飛機(jī)》雜志特約記者采訪時，陳十一聊起了湍流方面的各種知識。

回歸路上的技術(shù)轉(zhuǎn)型

“湍流無處不在，我經(jīng)常開玩笑說，流體力學(xué)管著世界上四分之三的事情。坐飛機(jī)遇到氣流會發(fā)生顛簸，是湍流造成的;喝咖啡放入牛奶進(jìn)行攪拌，也有湍流現(xiàn)象發(fā)生;航海時會暈船，就是水流發(fā)生的湍流現(xiàn)象……整個空氣動力學(xué)都涉及到流體力學(xué)中的湍流問題。”說起湍流研究，陳十一有些興奮，如數(shù)家珍般說了起來。

在陳十一眼中，除了固體和湍流沒有關(guān)系之外，液體、氣體和等離子體都與湍流有關(guān)。數(shù)學(xué)家用偏微分方程描述流體力學(xué)現(xiàn)象，物理學(xué)家關(guān)心流體力學(xué)中的統(tǒng)計規(guī)律，工程領(lǐng)域的科學(xué)家關(guān)心流體力學(xué)問題。

陳十一的恩師周培源先生是中國近代力學(xué)和理論物理學(xué)的奠基人之一，也是世界上四位最杰出的湍流理論先驅(qū)之一，是湍流研究中國學(xué)派的創(chuàng)立者。周先生先后提出湍流脈動假定，提出湍流統(tǒng)計理論需要考慮脈動速度方程，提出“先求解后平均”的湍流動力學(xué)途徑的想法，奠定了現(xiàn)代湍流模式的基礎(chǔ)。

當(dāng)年，陳十一曾經(jīng)問周培源：“湍流研究能不能得諾貝爾獎？”周先生的回答是很難拿諾貝爾獎，因?yàn)槲覀儫o法定義什么是湍流，也無法定義什么是用湍流問題來解決的。后來，湍流領(lǐng)域的重大成果多次被提名諾貝爾物理學(xué)獎，諾貝爾獎也曾頒給過與湍流研究緊密相關(guān)的低溫超流問題與拓?fù)湎嘧儐栴}。

還有很多未解難題

湍流是科學(xué)家眼中的一個超級難題，是美國《科學(xué)》雜志公布的全世界最前沿的125個科學(xué)問題之一。

陳十一說，美國著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼曾經(jīng)說過，湍流問題是經(jīng)典物理學(xué)中最后一個尚未解決的重要問題。作為歷經(jīng)世紀(jì)的學(xué)科研究前沿，它對數(shù)學(xué)、力學(xué)、物理學(xué)、非線性科學(xué)和復(fù)雜系統(tǒng)等基礎(chǔ)科學(xué)有著深刻影響，是自然科學(xué)中重要的基礎(chǔ)科學(xué)研究。而在航空航天、地面和水下航行、流體機(jī)械、大氣和海洋、能源開發(fā)、建筑、環(huán)境科學(xué)和仿生學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域中，湍流同時是眾多工程問題共有的瓶頸性基礎(chǔ)難題。

2000年初，美國克雷數(shù)學(xué)研究所的科學(xué)顧問委員會選定了七個“千年大獎問題”，被稱為“世界七大數(shù)學(xué)難題”。陳十一說，七大難題之一納維葉-斯托克斯（Navier-Stokes）方程的存在性與光滑性，就是湍流方面的數(shù)學(xué)難題。起伏的波浪跟隨著正在湖中蜿蜒穿梭的小船，湍急的氣流跟隨著現(xiàn)代噴氣式飛機(jī)的飛行，數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家深信，無論是微風(fēng)還是湍流，都可以通過理解納維葉-斯托克斯方程的解，來對它們進(jìn)行解釋和預(yù)言。雖然這些方程是19世紀(jì)寫下的，但我們對它們的理解仍然極少。

令人高興的是，中國學(xué)者在湍流方向科研上突飛猛進(jìn)的勢頭。陳十一表示：“從2000年到現(xiàn)在，中國在SCI期刊發(fā)表的關(guān)于湍流的論文總量，已躍居世界第二名，中國的湍流研究正在大步前進(jìn)。”

希望為大飛機(jī)作貢獻(xiàn)

陳十一在湍流研究上做出了一系列重要貢獻(xiàn)。20世紀(jì)90年代初，他打破了直接數(shù)值模擬中雷諾數(shù)的世界紀(jì)錄，相關(guān)研究成果被國際湍流界廣泛引用;首次精確計算出湍流的標(biāo)度指數(shù)和對流擴(kuò)散過程的標(biāo)度指數(shù);提出了湍流中的映射封閉理論，成為燃燒和湍流擴(kuò)散的重要理論與數(shù)值計算基礎(chǔ);提出了自然界中大尺度旋渦形成機(jī)理，解釋了能量反積蓄;提出了湍流中的約束大渦模擬模型，得到了阻力和分離流的精準(zhǔn)計算結(jié)果。

陳十一亦是格子Boltzmann方法的創(chuàng)始人之一，他和合作者在1992年發(fā)表的文章奠定了該領(lǐng)域的基礎(chǔ)，此方法已被廣泛應(yīng)用于各類工程問題中，包括能源與環(huán)境工程、傳熱傳質(zhì)、燃燒與多相流動、地下滲流與電磁場模擬等。陳十一和他的團(tuán)隊利用多尺度混合算法精確計算了有奇異性的流動現(xiàn)象，此項(xiàng)研究在微納米流體流動、燃料電池、生物流動系統(tǒng)等方面得到了廣泛應(yīng)用。

2005年，陳十一在約翰·霍普金斯大學(xué)擔(dān)任機(jī)械工程系系主任。這一年，他收到北大邀請，希望他回國出任工學(xué)院創(chuàng)院院長。一面是國外安穩(wěn)的生活和家庭的團(tuán)聚，一面是祖國的召喚和內(nèi)心的向往，幾番思量，陳十一毅然回國。

令陳十一深感欣慰的是，近年來，國內(nèi)在進(jìn)行大飛機(jī)領(lǐng)域研究時，應(yīng)用了他們科研團(tuán)隊研究模擬湍流的數(shù)據(jù)模型。

陳十一告訴記者，未來他的科研興趣點(diǎn)有三項(xiàng)，首先是海上無人滑翔研究，他對海上波浪很感興趣，想了解湍流和海洋波浪是如何進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的;第二是為什么飛機(jī)遇到氣流會抖動，抖動變形的固體在流體中的運(yùn)動;第三個是波的問題，飛機(jī)起飛時會有噪音，我們能不能控制聲波、控制噪音，這樣就可以節(jié)約機(jī)場面積，增多飛機(jī)的航路。