周培源 - Fluent湍流模擬之父

2017-07-11  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

周培源 (1902-1993)

周培源,著名流體力學(xué)家,理論物理學(xué)家,教育家和社會(huì)活動(dòng)家,中國(guó)近代力學(xué)奠基人和理論物理奠基人之一。由于他在1940年對(duì)于湍流研究的奠基性工作,被尊為“湍流模擬之父”。

周先生在發(fā)表于“中國(guó)物理學(xué)報(bào) 4,1 (1940)pp1-33”的一篇開(kāi)創(chuàng)性文章中,他引入了湍流脈動(dòng)速度二元關(guān)聯(lián)函數(shù)與三元關(guān)聯(lián)函數(shù)的方程,并進(jìn)而提出四元函數(shù)與二元函數(shù)相互聯(lián)系的模型。此方法后來(lái)也于1945和1947年發(fā)表在國(guó)際文獻(xiàn)的三篇文章中。

它與米林斯奇科夫稍后提出的方法略有不同。周先生使用了一個(gè)渦量擬能的方程為湍流場(chǎng)提供了一個(gè)時(shí)間尺度?？?tīng)柲缏宸螂m也曾建議過(guò)對(duì)于湍流小尺度進(jìn)行參數(shù)化,但并沒(méi)有繼續(xù)下去?？上е芟壬姆椒ǔ霈F(xiàn)于計(jì)算機(jī)普及之前;當(dāng)時(shí)人工計(jì)算的能力也是相當(dāng)有限的。但沒(méi)有疑問(wèn)的是,今天世界上成百上千的忙于建立為CFD代碼所用的湍流模型的學(xué)者們,從1940年的這項(xiàng)工作之后,都視周先生為鼻祖。

在這個(gè)時(shí)代至少有四位流體力學(xué)的巨人,分別來(lái)自四個(gè)國(guó)家。他們以自己的方式在國(guó)內(nèi)外都享有崇高的聲譽(yù),這不僅是因?yàn)樗麄冊(cè)诹黧w力學(xué)領(lǐng)域的建樹(shù),也是由于他們卓越的領(lǐng)導(dǎo)能力和對(duì)于知識(shí)的傳承。在他們各自的國(guó)家里,大量?jī)?yōu)秀的流體力學(xué)工作者都可以追根溯源到這個(gè)偉大的鼻祖。這樣的人在我心中有美國(guó)的馮卡門,蘇聯(lián)的柯?tīng)柲缏宸?英國(guó)的泰勒 (GI Taylor) 和中國(guó)的周培源。

下面讓我們跟隨周先生的腳步,一起去看看他所理解的力學(xué)。

一六八六年,牛頓對(duì)力學(xué)的總結(jié),最初是從天體運(yùn)動(dòng)開(kāi)始的。 當(dāng)時(shí),天文學(xué)、數(shù)學(xué)和力學(xué)是自然科學(xué)中僅有的三個(gè)成熟的伙伴,它們互相滲透,互相促進(jìn)。

海王星

海王星的發(fā)現(xiàn)是牛頓力學(xué)科學(xué)預(yù)見(jiàn)的光輝范例,牛頓力學(xué)的發(fā)展為大工業(yè)準(zhǔn)備了基礎(chǔ),也對(duì)物理學(xué)其他分支的發(fā)展起過(guò)巨大的推動(dòng)作用。

牛頓力學(xué)的驚人成就,甚至影響了人們的世界觀。

當(dāng)人們克服了機(jī)械唯物論思想,繼續(xù)前進(jìn)的時(shí)候,力學(xué)并沒(méi)有消失,只是采取了新的思想,取得了新的形式。甚至,經(jīng)典力學(xué)本身的力量也依然在到處發(fā)揮著作用。
那么,在力學(xué)本身力量的作用下,各個(gè)力學(xué)運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系是什么樣的呢?

1、物質(zhì)宏觀運(yùn)動(dòng)和微觀運(yùn)動(dòng)的關(guān)系

我們首先要解決的是物質(zhì)的宏觀運(yùn)動(dòng)和微觀運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。
在經(jīng)典物理中,力學(xué)是關(guān)于物質(zhì)宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué),力學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是牛頓的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

依據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)是機(jī)械運(yùn)動(dòng),一直到現(xiàn)在,力學(xué)在工程方面的應(yīng)用越發(fā)深入,在絕大部分的工程( 包括建筑、水利、交通、機(jī)械、采礦、冶金、化工、石油、軍事、空間工程) 中,處處都需要力學(xué)。工程向力學(xué)提出了層出不窮的問(wèn)題,力學(xué)也不斷以新的成果,深刻地改變著工程設(shè)計(jì)的思想。

近年來(lái),力學(xué)又在認(rèn)識(shí)自然方面,恢復(fù)和擴(kuò)大了過(guò)去的老傳統(tǒng)。

力學(xué)工作者投身到宇宙論、天體演化、星系結(jié)構(gòu)、天體爆炸、太陽(yáng)風(fēng)、行星磁場(chǎng)等研究,也投身到大氣、洋流、海浪、地殼運(yùn)動(dòng)、地幔對(duì)流等的研究,隨之還出現(xiàn)了生物力學(xué),它將為力學(xué)和農(nóng)業(yè)及醫(yī)學(xué)建立越來(lái)越緊密的聯(lián)系。

可以這樣說(shuō),近代力學(xué)的發(fā)展,已深入到自然科學(xué)的許多領(lǐng)域。

力學(xué)在物質(zhì)宏觀運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)所處理的問(wèn)題,之所以這樣的廣泛,是因?yàn)榱W(xué)是研究自然界中最基本、最簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)形式,也就是位置移動(dòng)。

從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō),大尺度宇宙空間的天體運(yùn)動(dòng),也包含位置的移動(dòng)。狹義或廣義相對(duì)論力學(xué)所處理的物質(zhì)宏觀運(yùn)動(dòng)問(wèn)題,也是力學(xué)所處理的問(wèn)題。

分子、原子的運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu),屬于物質(zhì)的微觀運(yùn)動(dòng),它們的規(guī)律為量子力學(xué)和量子電動(dòng)力學(xué)。

這些規(guī)律是從力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)的規(guī)律上分別發(fā)展出來(lái)的,但又不同于力學(xué)的規(guī)律。這是由于物質(zhì)的微觀運(yùn)動(dòng)已不是單純的位移,而具有了新的形式,如:從一個(gè)穩(wěn)定態(tài)躍遷到另一個(gè)穩(wěn)定態(tài)。

2、基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的關(guān)系

說(shuō)起基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的關(guān)系,那就要先從力學(xué)研究和其他一切科學(xué)研究所共有的認(rèn)識(shí)過(guò)程說(shuō)起。

我們都知道,科學(xué)研究都有一個(gè)從特殊到一般,從一般到特殊的往復(fù)循環(huán)的認(rèn)識(shí)過(guò)程,具體到力學(xué)上,就是生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)( 觀察) 提出具體問(wèn)題,對(duì)之研究、概括、提高、總結(jié),成為力學(xué)的基礎(chǔ)理論。之后將基礎(chǔ)理論應(yīng)用到尚未研究過(guò)的具體問(wèn)題,找出它的特殊本質(zhì),借以補(bǔ)充、豐富和發(fā)展出共同性的力學(xué)原理。

自古以來(lái),力學(xué)研究就有基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究?jī)蓷l途徑。

牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》

牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》序言中談到:古人用兩種方法演述力學(xué),其一是純理的,用論證精確地推進(jìn);其一是實(shí)用的,一切技術(shù)方面的事情都屬于后者,力學(xué)這個(gè)名稱也由此得來(lái)。我們的革命導(dǎo)師馬克思把力學(xué)叫做“大工業(yè)的真正科學(xué)的基礎(chǔ)”,而另一位革命導(dǎo)師恩格斯則把力學(xué)叫做“最基本的自然科學(xué)”。他們從不同的側(cè)面來(lái)說(shuō)明力學(xué)的地位和作用。

從力學(xué)長(zhǎng)期發(fā)展的歷史來(lái)看,我們可以得出這樣一個(gè)初步的結(jié)論,就是力學(xué)具有很強(qiáng)的基礎(chǔ)性,又有極為廣泛的應(yīng)用性,兩者相輔相成,互相促進(jìn),所以, 力學(xué)既是基礎(chǔ)科學(xué),又是應(yīng)用科學(xué)。這和數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等門科學(xué),并沒(méi)有什么兩樣的地方。

因此,我們既要充分重視力學(xué)的基礎(chǔ)研究,又要十分注意力學(xué)的廣泛應(yīng)用。如果我們不重視基礎(chǔ)研究,我們只能亦步亦趨,永遠(yuǎn)談不上趕超。

我們一方面要注意抓住四個(gè)現(xiàn)代化所需要解決的重大的關(guān)鍵性的力學(xué)問(wèn)題,重點(diǎn)安排力量,充分利用現(xiàn)代化的計(jì)算工具和實(shí)驗(yàn)手段,多快好省地加以解決。另一方面要妥善做出全面安排,廣泛調(diào)動(dòng)應(yīng)用力學(xué)工作研究的積極性。

現(xiàn)在,很多產(chǎn)業(yè)部門已經(jīng)開(kāi)始從單純按產(chǎn)品組織科研,進(jìn)而重視同時(shí)按學(xué)科組織應(yīng)用基礎(chǔ)的研究。因而工程力學(xué)得到很大的重視,這是十分可喜的現(xiàn)象。只有力學(xué)的應(yīng)用研究壯大了,力學(xué)的基礎(chǔ)研究才能上得去。

3、新老學(xué)科的關(guān)系

在力學(xué)領(lǐng)域中,有幾個(gè)歷史悠久的傳統(tǒng)學(xué)科,如質(zhì)點(diǎn)和剛體力學(xué),流體力學(xué),固體力學(xué)和土力學(xué)等。

近年來(lái),國(guó)外在這些學(xué)科中,不論是理論、方法、現(xiàn)象方面都不斷有所突破,例如:立波理論、失穩(wěn)分岔理論、有限元法、斷裂力學(xué)、剪切湍流、變形體熱力學(xué)、彈黏性介質(zhì)中的記憶衰退理論等。

我國(guó)在這些方面需要向縱深發(fā)展,擴(kuò)大戰(zhàn)果,要繼續(xù)發(fā)現(xiàn)新的突破口,要決心去攻克難關(guān),要避免目前的“淺水區(qū)擁擠不堪,深水區(qū)無(wú)人問(wèn)津”的現(xiàn)象。

近年來(lái),在國(guó)內(nèi)外陸續(xù)出現(xiàn)一些新興學(xué)科,如巖體力學(xué),地球力學(xué),物理力學(xué),等離子體動(dòng)力學(xué),宇宙氣體動(dòng)力學(xué),化學(xué)流體力學(xué),爆炸力學(xué),生物力學(xué),理性力學(xué)等等。

這些學(xué)科多半是和其他學(xué)科相互滲透建立起來(lái)的,它們的崛起,好像雨后春筍,有旺盛的生命力。這些學(xué)科又像未開(kāi)墾的處女地一樣,到處有吸引人的前景,老學(xué)科有責(zé)任來(lái)扶植新學(xué)科。新學(xué)科領(lǐng)域里的同志要學(xué)習(xí)老學(xué)科的經(jīng)驗(yàn)和我們所不熟悉的相鄰學(xué)科的知識(shí),新學(xué)科中的新發(fā)現(xiàn),有可能反過(guò)來(lái)促進(jìn)老學(xué)科的突破。

4、理論和實(shí)驗(yàn)的關(guān)系

理論必須以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),實(shí)驗(yàn)必須有理論作指導(dǎo)。一個(gè)新理論,必須能夠解釋舊理論能解釋的現(xiàn)象,還必須能夠解釋舊理論所不能解釋的現(xiàn)象。同時(shí),新理論必須預(yù)見(jiàn)到尚未出現(xiàn)的現(xiàn)象,并通過(guò)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐得到證實(shí)。

因此,理論工作是離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)的,實(shí)驗(yàn)是理論的前提,科學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐,又是檢驗(yàn)理論是否正確的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

然而,在我國(guó)目前的力學(xué)工作中,實(shí)驗(yàn)研究沒(méi)有得到應(yīng)有的重視,特別是實(shí)驗(yàn)研究工作中技術(shù)系統(tǒng)的建立沒(méi)有受到重視,必須認(rèn)真地加以解決。

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