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邹文楠以新视角探索湍流问题


        湍流是流体的一种流动状态,又称紊流,因其混乱、曲折、不规则,在日文文献中被称作“乱流”。湍流是一种普遍存在的自然现象,因其与航空航天、水利、气象、化工、建筑以及高能物理等众多领域相关,对它的预测和控制研究成为自然科学的基本问题之一。
        对湍流的科学研究于1883年由雷诺开创,其提出的雷诺平均方法和雷诺方程是湍流理论工作的基础。由于湍流现象极其复杂,对它的研究一直缺乏有效的实验手段,而理论方面不同立场的人对它又有不同的看法,因此,100多年过去了,湍流研究仍处于潮汐式的循环状态,没有实质性进展,科学界至今仍无法给出湍流的公认的科学定义。但这丝毫不影响科学家们对湍流研究的热情和执着,南昌大学建筑工程学院工程力学实验中心、工程力学研究所邹文楠教授就是湍流研究的热衷者。
        邹文楠从1994年读硕士研究生期间,就对湍流产生了兴趣,后来他分别以《力学中高阶张量与湍流运动的理论研究》的博士论文和《湍流思问录》的博士后出站报告总结了自己对湍流的研究和看法。
        邹文楠通过引入开放的质元模型和微分几何语言,用速度场和涡旋场描述了湍流运动状态;利用变分原理推导新的湍流运动控制方程,给出了湍流状态的精确定义;采用简单的线性本构方程,分析了湍流运动方程的涡旋结构特征,解释了湍流运动的一些基本特性,如强衰减、不光滑性、分叉、猝发间歇和准周期性等,同时利用数值计算初步研究了平面槽道流动、平面和三维的后台阶流动,揭示了涡旋场和速度场之间的耦合关系,显示了湍流的三维性和丰富结构。邹文楠的思路和方法开创了湍流宏观理论研究的一条新途径。
        在《湍流思问录》中,邹文楠又分别在湍流脉动信号分析和湍流理论建模两个方面作了一些新的探索和思考。
        在湍流信号分析方面,邹文楠在已有统计分析模型的基础上,提出了平均速度结构函数的概念,得到具有显著尺度界限的分段相似律;在认识到湍流标度特性起源于局部性结构的基础上,将湍流信号看作非稳态随机过程的表现,提出对湍流典型结构的时频分析和层次分解;通过对已有时频分析方法的考察,提出湍流激发的极点分析模型,将湍流拟序结构和随机涨落进行分离,通过模态分解发现了湍流信号的一个有序认识途经,即认为湍流信号由一系列频谱基本分离的有序的模态信号叠加而成,每个模态则由一系列频谱交叠的或孤立或纠缠的小波状时频原子排布而成,并指出湍流信号能谱只有粗粒化意义上的收敛性和标度性,而且这种标度性与各层次模态的标度行为有关。
        在湍流理论建模方面,邹文楠在湍流涡旋场理论的基础上做了进一步的细化和发展,从湍流信号层次性、流体动力学客观性、连续介质几何变化等多个角度指出用新的独立场量——涡旋场描述湍流涡旋的必要性,从湍流动力平衡过程重新推导了控制方程,分析了其中的对称性和动力学特征;接着以平面流动为例,建立了涡旋场的几何图象及其粘性作用机理,指出湍流源于流动方向和粘性摩擦力的不平行导致的涡旋演化,并进一步从动力学方程的分解、整合中分析湍流拟序平均流动、大尺度涡旋结构和小尺度涡旋运动的演化特征以及互相耦合、转化的机理。此外,邹文楠还对自己进一步要开展的工作进行了梳理。
        邹文楠认为理论的发展离不开实验的检验,他渴望能借助先进的实验手段和计算分析进一步验证自己的理论。
        湍流的研究呼唤新的思维,无论在实验分析方面还是在理论建模方面,邹文楠一直以不懈努力践行着自己新的理念和思路,孜孜以求。他深深懂得湍流的复杂,但他坚信“湍流也在遵循着大自然的一个基本法则:用最小的消耗达到最高的效率。湍流的曲折迂回并不只是为了消耗能量,湍流涡旋的千变万化也一定有一个简单的目标”,相信通过不懈努力,“湍流那美妙绝伦、充满契合的真实图像一定会在我们面前展开”。