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研究方向

计算流体

随着新兴工业的诞生,流体力学的应用扩展到微流、多相流、非牛顿流以及其他复杂流体.而随着计算机功能的飞速发展,人们运用计算流体力学对重要科学和工程课题实行大规模计算模拟已经形成世界新兴高科技研发的发展方向.计算流体力学的实际应用使得人们能对流体的物理机制取得许多以往经典方法不可能达到的认识程度.这不仅对于高效率低消耗的新科技研发有着重要的影响,同时对于更深入地了解乃至优化工程设计都有着关键性的意义.例如,飞机在大攻角飞行或在机动飞行的情况下,传统的风洞试验手段很难取得有关流体效应复杂现象的细节认识,在许多情况下这些关键细节是用实验手段无法测量的,然而, 根据对流体基本物理的理解, 我们知道流体的特性往往可能由于某个细小的变化而发生质的改变, 而且风洞试验存在着实验周期长, 价格昂贵等缺点, 所有这些因素限制了风洞试验手段对气动外形设计所能起到的作用. 因此, 准确而快捷的计算流体方法能使我们对于流体力学问题的认识从“知其然”到“知其所以然”, 给设计人员提供及时准确的反馈, 从而对产品的优化和新技术的研发起着举足轻重的作用.流体力学的理论描述通常建立在纳维-斯托克思(Navier-Stokes)方程的基础上. 作为流体
力学的基石, 它已存在了一个多世纪, 在通常尺度下, 人们对此方程的物理可靠性及准确性并不抱异议. 在各个学术研究机构, 流体力学研究也主要是围绕纳维-斯托克思方程展开的. 理论上人们一般通过求解纳维-斯托克思方程及其各种简化形式的途径来处理复杂的流体力学问题, 现行的计算流体力学研究也主要是围绕着纳维-斯托克思方程的计算方法展开的, 然而,基于其本质上的非线性以及边界条件处理的困难, 除少数简单问题外, 解析和数值求解纳维-斯托克思方程都是极具挑战性的任务. 证明纳维-斯托克思方程解的存在性和光滑性仍然是克雷数学研究所(Clay Mathematics Institute)悬赏征解的世纪难题之一.除了求解的困难外, 作为一种对流体物理的描述, 与描述经典力学运动的牛顿运动方程,或与描述量子力学运动的薛定谔方程等原理性方程不同, 纳维-斯托克思方程是从更根本的原理性方程出发, 在合理地假定某些物理机制可以忽略后, 经过统计平均得到的. 本质上纳维-斯托克思方程当然不可能描述那些被忽略了的物理机制带来的宏观现象, 比如流体系统中的相变、非牛顿的本构关系以及在分子运动自由程尺度上的物理现象. 当今科技的高速发展已使人们的视野扩展到比传统流体力学更为广泛的物理现象, 如微尺度流动和复杂流体的认识和理解. 在这些领域, 纳维-斯托克思方程明显的显示出了它的局限性. 同时, 由于当今计算机能力的限制, 流体物理现象, 如湍流, 往往不能用直接模拟(direct numerical simulation)即精确解纳维-斯托克思方程的方式实现. 因此, 人们往往也必须辅加各种物理近似模式, 其中最通常和最可行的是所谓涡粘滞系数模式(eddy-viscosity modeling)。由于种种此类原因所导致的疑难、不确定性及误差, 计算流体力学在科技领域尤其是实际工程中的应用方面尚未能取代试验. 尽管如此, 计算流体力学已成为当今发展最快的一门学科. 它不仅已经对科学技术创新乃至工程应用发挥着不可忽视的作用, 同时它本身也代表了世界上新兴工业的发展方向。
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