”十三五“流体力学学科重点发展战略

2017-05-05 by:CAE仿真在线来源:互联网

“十三五”时期是我国全面建成小康社会的决胜阶段,经济发展进入新常态,依靠创新驱动、塑造引领型发展成为基础研究供给侧改革的必然要求。在2016年5月30日召开的全国科技创新大会、两院院士大会、中国科协第九次全国代表大会上,习近平总书记提出了科技创新“面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求”的基本方针。国家自然科学基金定位于“资助基础研究和科学前沿探索,支持人才和团队建设,增强源头创新能力”,势必为我国实现科技革命和产业变革,加快科学技术跨越发展发挥积极的作用。力学是一门应用性很强的基础学科,其发展呈现显著的“双力驱动”规律,既紧密围绕物质科学中所涉及的非线性、跨尺度等前沿问题展开,又涉及人类所面临的健康、安全、能源和环境等重大问题,与科技创新“三个面向”的要求完全契合。当代力学强国都在力学的基础研究和应用研究上同时发力,谋求实现两者的良性互动。

力学学科的特点与战略地位

力学是关于力、运动及其关系的科学。力学研究介质运动、变形、流动的宏微观行为,揭示力学过程及其与物理、化学、生物学等过程的相互作用规律。力学为人类认识自然和生命现象、解决实际工程和技术问题提供理论与方法,是人类科学知识体系的重要组成部分,对科学技术的众多学科分支发展具有重要的引领、支撑和推动作用。

力学学科具有完整的体系和分支学科,并且与其它学科交叉形成了众多交叉领域,其主要特点如下:

力学是一门既经典又现代的学科,它以机理性、定量化地认识自然与工程中的规律为目标,同时具有基础性和应用性;
力学是工程科技的先导和基础,为开辟新的工程领域提供概念和理论,为工程设计提供有效的方法,是科学技术创新和发展的重要推动力;
力学是一门交叉性突出的学科,具有很强的开拓新研究领域的能力,不断涌现新的学科生长点。

17世纪,牛顿力学体系的创立标志着人类历史上第一门定量化科学的诞生,引领了自然科学的兴起,奠定了力学基础学科的地位,是许多自然科学、技术科学的先导,为认识自然规律、改造世界提供了最为关键和有效的手段。力学也是生命力强大和活跃的基础学科,在20世纪,力学不仅完备了自身学科体系,而且产生了广泛的学科交叉与融合,促使新的交叉学科形成,也极大地推动了其它学科的发展。同时,力学是几乎所有工程科技的基础和支撑,在我国现代化建设和国家安全中发挥了不可替代的作用。

与西方发达国家的现代化进程相比,我国尚处于工业化中后期,同时面临着信息化的艰巨挑战。党中央提出大力推进信息化与工业化融合,走新型工业化道路,这对力学学科提出了双重任务。一方面,要着力解决我国工业化转型发展面临的提升装备质量、降低能源消耗和改善环境污染等突出问题;另一方面,要解决我国信息化发展中面临的众多力学前沿问题。此外,力学学科还要瞄准人类所共同面临的健康、安全、能源和环境等世界性难题,为我国发展实现“弯道超车”和全面突破,发挥其独特作用,提供坚实支撑。

力学学科“十三五”发展战略

未来五年,国家自然科学基金委员会将继续鼓励力学学科原创性及引发学科理论创新的研究,重点加强面向国家重大需求的新概念、新理论、新方法和新技术研究,加大支持薄弱方向,不断促进学科交叉,培育新的学科生长点。到2020年,努力培养具有国际影响力的力学家,形成在国际上有影响力的学科高地。“十三五”期间,重点支持多场多过程下固体的本构理论及极端力学行为、近空间高超声速流场内局部稀薄气体流态机理和方法研究、高速流动中的可压缩湍流问题、非线性系统的跨时空尺度动力学耦合机理及其应用等前沿问题的研究;加强新型材料的本构关系与强度理论、超常环境下材料与结构的力学行为、湍流理论及机理、高超声速空气动力学模拟与实验、航空航天动力学与控制、生物组织与仿生材料的多尺度力学行为等优势学科;着力扶持多体动力学、结构力学和高速水动力学等薄弱学科;加强关注航空、航天、能源、海洋、环境、先进制造、交通运输、人类健康等重大需求领域中的关键力学问题,形成对国家重大需求的重要支撑能力。

流体力学学科优先发展领域

在对力学学科特点、国际发展态势和国内发展趋势分析的基础上,根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020 年)》提出的 2020 年我国科学技术发展的总体目标和未来中国科学技术发展的总体部署,结合力学学科适应国家经济、社会中长期发展的重大需求,综合考虑力学学科未来5年的总体发展战略布局和发展目标、交叉学科发展布局与重点发展方向,提出了不同力学学科的优先发展领域。这些力学学科包括:动力学与控制学科、固体力学学科、流体力学学科、生物力学学科以及力学交叉领域。

其中,流体力学学科优先发展领域包括如下几个方面。

1、可压缩湍流的生成及演化机理

高超声速技术已经成为 21 世纪航空航天领域的制高点,高速飞行器气动特性预测的关键问题之一是可压缩湍流的生成及演化机理,与飞行器性能的精确预测以及飞行安全和控制紧密相关。可压缩湍流广泛存在于超声速和高超声速飞行器的外流、内流和部件绕流中,发展新型高速飞行器必须开展与高超声速飞行相关的可压缩湍流、流动稳定性与转捩机理研究。

主要研究内容包括:

充分认识超声速 / 高超声速条件下的湍流现象,研究湍流的影响因素和产生机理。
研究高超声速流动转捩机理、各种不稳定扰动模态的相互作用机理、转捩位置的预测,建立和发展普适性更广的湍流和转捩模型,包括化学反应的燃烧模型,建立有效的转捩预测方法。
建立基于湍流机理的流动控制方法,进行湍流抑制或增强,达到对流动分离和非定常现象进行控制的目的。
研究与高超声速飞行器构型相关的流动稳定性特性,以及高温引起的气体物性变化对流动稳定性的影响,发展基于流动稳定性理论的转捩预测方法。
开展可压缩湍流模式的试验验证及数值模拟研究,准确预测高速飞行器的摩擦阻力和气动热环境。

2、非定常流动的机理及控制

非定常流所要研究的是流动特性随时间变化的物理过程,运动学和动力学特性依赖于各种限制条件和流动的整个历史过程,与工程问题密切相关。物体的非定常运动,经常伴随着流动分离、剪切层和旋涡的产生、演化及相互作用,具有强的非线性特性,出现了一系列重要的流动现象,如动边界及流固耦合、涡与边界层的相互作用机理及演化、流体界面演化与失稳及激波和旋涡共存的复杂流动等。多种因素的相互影响和制约,以及流动控制技术的发展,为实施流动控制和改善流动特性提供了多种可能的方法和途径。

主要研究内容包括:

动边界及流固耦合的非定常流动特性及其控制,包括运动固体或柔性体边界、主动或被动变形的物体表面等。
复杂多介质间界面的演化与失稳,以及介观三相接触线与宏观流动、界面运动间相互作用机理的高精度实验、数值模拟和理论分析。
以激波、转捩、湍流和旋涡分离流为主要特征的复杂非定常流动,边界层分离形成的剪切层不稳定性及其发展、尾流剪切层的相互诱导以及射流剪切层的混掺效应等。
非定常流动的控制方法,通过外加能量形成非定常扰动进行控制,包括与边界层 / 剪切层不稳定性匹配的扰动尺度与频率的选取,可以进行优化或次优化的闭环主动流动控制。
高机动条件下的非定常流动机理、气动 / 运动的非线性耦合作用机理、气动 / 飞行力学一体化分析与模拟理论。

3、复杂相间作用的多相流

自然界中很多现象都与多相流相关,多相流同样也普遍存在于化工、能源、水利、石油、制造、航空航天、环境保护和生命科学等领域所涉及的问题中。多相流动具有现象与过程复杂、涉及面广和交叉性强等特点。多相流问题归根结底是相间作用问题,主要体现在离散相之间以及离散相与连续相之间的作用。

主要研究内容包括:

多相湍流场及稳定性,连续相脉动流动特性的确定,考虑复杂相间作用的湍流封闭模式的研究,离散相对于连续相的作用包括对湍流的抑制、增强和减阻以及稠密情况下的非牛顿效应等。
超声速气流与固相颗粒之间的动量、热量传递特性,气固两相流流动特性参数敏感性和对撞的流动特性,典型材料超声速气、固反应中瞬态中间相时空分布和演化机理。
沙尘和污染物颗粒与大气表面层高雷诺数壁湍流的相互作用影响规律和机理研究,污染物在大气与水环境中的输运、沉积与控制等。
受连续相流场特性制约的离散相动力学特性,离散相对连续相特性的影响以及离散相之间的相互作用。
连续流体相作用于小于微米尺度的刚性离散相,连续流体相作用于常规尺度下的变形离散相,以及小于微米尺度的离散相间的相互作用。
相界面动力学的本质属性,离散相之间的碰撞规律及其对连续相的影响,超常颗粒的动力学模型。

4、空化与强非线性自由表面流动

海洋内航行器的高速化是发展的必然趋势,它已成为水动力学的前沿研究课题。与空中和陆上相比,提速最慢的是水中运载工具,主要受阻力太高的牵制,因此高速水动力学及其相关的科学问题受到高度关注。高速水动力学主要研究涉及多相流、湍流、相变、可压缩性和非定常等物理机制的自然空泡和通气超空泡以及强非线性自由表面效应。

主要研究内容包括:

建立计及微观群泡动力学特性的宏观空化新模型,获得空化流动内部流体介质的物理特征、空泡形态特征、流动结构、尾部流动特性以及作用在航行体上的流体动力特性。
建立超空泡稳定性的分析方法和判据,发展超空泡流动研究的实验技术和数值模拟方法,建立机动运动状态下超空泡航行体的动力学模型。
建立考虑表面波与发射平台运动等复杂因素的航行体高速带空泡出水过程的水动力学模型,发展流固耦合模型,把握复杂条件下航行体出水的流体动力特性、出水空泡溃灭和冲击载荷的变化规律。
发展航行体高速入水冲击和带空泡航行的流体动力特性与姿态控制的实验技术和精细数值模拟方法,突破入水冲击载荷预示技术,建立航行体高速入水空泡演化模型和作用于航行体的水动力载荷模型,把握航行体高速入水非控段航行的水动力学特征和运动姿态。
建立破碎波、液舱晃荡、甲板上浪和入水砰击等强非线性自由表面水动力学机理及流固耦合分析方法。

5、非牛顿流体的流动与传热传质

在自然界和工程技术界,存在着许多非牛顿流体,它们种类繁多,形态各异,也常被称为复杂流体。同时,随着现代科学技术的发展,如今某些原本被认为是牛顿流体的介质在精细观测或特殊情况下也被发现存在非牛顿流体的特性。非牛顿流体的力学问题普遍存在于与国民经济发展和日常生活密切相关的各个领域,不仅影响工业领域的生产过程、生产效率和产品质量,而且也影响生物医学领域的器械研制、疾病诊断和治疗。

主要发展方向和研究内容为:

非牛顿流体的流动稳定性研究,探讨界面失稳、弹性湍流的物理机制以及泥石流和雪崩等重大自然灾害的触变性流体特征,研究航天发动机中非牛顿凝胶推进剂雾化过程中的关键科学问题。
非牛顿流体新型本构关系模型的研究,深化分数阶微积分在黏弹性流体力学中的应用。
研究生理、病理以及临床治疗中的非牛顿流体力学问题,弄清非牛顿效应对生物流体的复杂流动和传热传质的影响。
研究纳米非牛顿流体、智能流体的流动和传热传质问题,以及微系统、3D 打印和聚合物材料加工过程中的非牛顿流体力学问题。
非牛顿流体的浸润、流动减阻和热对流的研究,进一步加强非牛顿流体力学在能源领域的应用研究。

6、流场测量新技术和先进分析方法

湍流的实验研究是验证理论和数值模拟结果、揭示新物理现象的重要手段。从实验研究发展现状和趋势来看,流场诊断新技术和先进分析方法是两个重要的发展方向。流场诊断新技术的不断创新,能实现非定常复杂流动测量、极端环境下流动实验测量和多物理量耦合测量,而先进分析方法则针对实验测量存在的特定问题进行数据处理和分析,以提高实验测量的精度和可靠性。

主要研究内容包括:

高时空分辨率三维非定常复杂流动速度场测量技术。
结合新型流场诊断技术,实现高超声速、高温高焓、超低温环境下以及微小尺度下流动的实验测量。
通过声、光、电、核和磁等多方面技术手段,实现受力、速度、温度、压强和密度等流场多物理量的测量及耦合测量,全方位获取流场的物理特性。
针对实验数据测量误差、随机噪声和时空分辨率等特有问题,结合流体力学理论分析和数值模拟,在提高实验数据精度和可靠性上发展先进的分析方法,并形成有效的三维实验数据的流场显示、旋涡识别和模态分解等技术。
建设实验标模湍流数据库,搭建湍流数据库交流平台。

另外,在一些力学交叉领域,与流体相关的优先发展方向包括如下几个方面:

1、自然环境流动与灾害演化动力学

环境流体力学的研究对象主要是自然环境和灾害问题。当今的环境和灾害问题都是综合性的,且涉及的范围和层次,往往跨越若干时空尺度,产生显著非线性作用和多尺度效应。同时,流动介质十分复杂,大多都是非均匀、非连续和多相多组分的自然介质,流动过程经常导致剧烈的物质、动量和能量输运,并伴随有各种物理、化学和生物子过程。这种显著的复杂介质和多过程耦合特征,也为流体力学的发展带来新的科学挑战。我国的环境流体力学研究,既要注重学科发展面临的科学挑战,又要紧密结合我国环境和灾害防治的实际需求,更加注重机理研究、规律分析与防治措施的有机结合。

主要研究内容包括:

自然流动的基本理论,包括自然界非牛顿流、多相流和颗粒物质流动的力学特性,大气、水体和岩土体中的复杂流动机理,自然流动的非线性作用和多尺度效应,流动与物理、化学、生物过程的耦合机理。
西部干旱环境,包括计及大气边界层高雷诺数效应的风沙流 / 沙尘暴形成和演化过程及其定量预测,沙漠化防治设施及其布局的优化设计和防治效果定量评估的方法,土壤侵蚀的力学机制及流域侵蚀的多尺度动力学模型等。
重大水环境,包括河流、河口海岸泥沙、污染物输运及其对生态环境的影响,湖泊 / 水库水质污染及富营养化动力学模型。
城市大气环境,包括大气污染及扩散输运过程,雾霾形成机理及治理措施,城市热岛效应等。
重大环境灾害,包括热带气旋、风暴潮、山洪、泥石流的发生机理及预报模型和全球气候变暖等。

2、材料设计与复杂流动的物理力学

物理力学以量子力学、统计力学、分子动力学、位错动力学和连续介质力学等为代表性手段,开展跨尺度研究,建立介质宏观力学特性与微观结构演化之间的关联。一方面可以弥补极端加载手段和精细观察条件的不足,从理论上获得极端条件下介质的宏观力学性能;另一方面在材料设计、材料高压状态方程、表界面的基本物理特性、非平衡流动、复杂流体及高能束流与物质的相互作用等多个应用领域,对揭示非平衡现象、多场耦合机制、不同尺度结构与性能的关联,具有独特的优势。

主要研究内容有:

以高强、高韧、轻质结构材料和满足各种极端服役条件的先进材料为背景,开展材料跨尺度力学行为与材料设计研究,探讨跨越不同尺度的描述方法及突变出现的规律。
表面 / 界面物理力学,重点关注多场耦合下“固-液”界面移动接触线问题, “固-固”界面纳微米接触、摩擦、润滑、吸合和黏附等问题,“固 - 生物”界面的生物组织与固体材料表面接触和黏附相互作用。
稀薄气体动力学,重点关注近空间飞行环境预报与分子涨落特性、过渡稀薄气体区域的求解等研究。
微重力流体物理与空间生命科学,重点关注长期微重力环境下的流动、传热、燃烧及空间生命科学问题研究。
高能束流与物质的相互作用,重点关注强激光辐照下材料和结构中的能量耦合、瞬态热传导、热应力与热冲击、相变与化学反应及失效行为等复杂多场耦合问题。
纳微尺度流动与输运规律、复杂流动与输运现象中的电磁及化学反应耦合等。