咱们一直身处在湍流中，
但咱们从未确凿地涌现过它。
王利民· 中国科学院历程工程揣度所揣度员
格致校园第50期 | 2024年 北京
大家好，我是王利民，来自中国科学院历程工程揣度所。我揣度湍流依然20多年了，想法即是蓄意出湍流的玄妙。
不知说念大家当年听过湍流这个词莫得？想要了解湍流，咱们不错先望望底下这张图。
▲Dario Bonzi/Caters Clips
其实，这是与湍流对应的另外一种状况，层流。图里的水看起来就像静止的一样。但当咱们一触摸到水，就知说念它是流动的，这是因为层流非常巩固。
而咱们更常见到的水流是这样的。当水量增大之后，水流就会变得不巩固，这种不巩固的流动即是咱们今天要磋商的主题——湍流。
湍流本体上是无处不在的，它影响着万事万物。烟囱中冒出来的烟气、奔腾的河水，还有从加湿器里跑出来的水汽，致使飞机遨游事后周围的空气，齐是咱们能看到的湍流态。从中不错看出，湍流即是流体在三维空间的不规定通达，它会产生许多不同法式的旋涡。
比如，不知说念大家有莫得想过，为什么高尔夫球名义有好多小坑呢？本体上这亦然因为湍流。在很久当年，高尔夫球的名义是光滑的。
可是其后东说念主们发现，名义有“麻脸”联想的高尔夫球受到的空气阻力更小。这就意味着，用相同的力去打光滑的球和“麻脸”联想的高尔夫球，“麻脸”的高尔夫球会飞得更远。这背后的原因，即是这些“麻点”在高尔夫球名义产生了湍流。
比量子力学还复杂的湍流
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在科学上，确凿真谛的湍流揣度应该要从闻明的雷诺践诺来讲起。雷诺是一位英国的物理学家，他在1883年作念了闻明的圆管流动践诺。他往圆管的中心注入了一滴墨，不雅察墨滴在之后的流动状况。
他发现，当流量很小的时候，墨滴的流动轨迹是一条直线，这阐发流体就像分层一样在流动，这种流动即是层流。当流量增大了以后，墨滴会填充通盘这个词管说念，在纵进取也有流动，这种流动即是湍流。
雷诺不但分辨了层流和湍流，还用了他的名字定名的一个无量纲的雷诺数来分辨什么时候是层流，什么是湍流。当雷诺数大的时候即是湍流，小的时候即是层流。
从雷诺初始，湍流依然困扰全球科学家一个多世纪了。闻明的量子力学创始东说念主沃纳·海森堡就曾说过：“我要带着两个问题去见天主：量子力学和湍流。我敬佩天主对第一个问题已有了谜底。”他的话里有话即是，天主靠近湍流也莫得惩处想法。
被爱因斯坦称为20世纪最贤明的表面物理学家的理查德·费曼也说：“湍流是经典物理学尚未惩处的最挫折的繁重。”
蓄意机的创始东说念主之一、闻明的数学家冯·诺伊曼发明蓄意机的一个很大能源，即是想求解湍流来进行数值天气预告的责任。他以为：“数字蓄意契机带来湍流揣度的创新。”
在湍流的揣度历程中，作念出孝顺的闻明的科学家还有爱因斯坦、G.I.泰勒、为止论的创始东说念主诺伯特·维纳、钱学森的导师冯·卡门、前苏联的数学家柯尔莫哥洛夫，诚然还有我国闻明的科学家钱学森和闻明的数学家和物理学家周培源等。
这样难的一个课题，为什么我会走上这一条揣度说念路呢？这一言难尽，致使不错说铸成大错。
算湍流有什么用？省钱！
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我本科学的是冶金工程，而中国科学院历程工程揣度所的前身即是中国科学院化工冶金揣度所，是以我历炼就考到了所里。临了及第 的标的是复杂性科学和煤解耦燃烧，我其时也不懂是什么真谛。 果然没料到，复杂性科学作念的即是湍流这个东西。
是以我读博的历程也特别沉重，花了6年才博士毕业。常常是晚上睡不着觉，这个课题实在是太难了。临了，我通过一个小小的发扬，赢得了博士论体裁位。
▲王利民, 郭舒宇, 向星, 付少童.
化工学报, 2022,73(06):2415-2426.
那么，为什么一个专注化工冶金的揣度所会这样存眷湍流呢？因为咱们历程工程所用的反映器里面，存在着好多湍流的景观。湍流的存在，严重地影响着传热、传质及反映历程。
▲壳牌煤气化技能逐步放大历程
而这些影响，在化工反映器的联想放大历程中尤其挫折。化学家在践诺室里面合成出一个新物资后，时时要经过小试、中试、工业示范，临了才能工业化，这个历程非常漫长。比如壳牌的煤气化技能，从践诺室到工业化历程就资格了21年。
为什么放大历程这样难？即是因为这里面存在着好多像湍流这样的非线性的历程。若是齐是均匀的历程，那就只需要肤浅地复制放大就不错了。而在本体的放大历程中，不同法式的反映器里面的湍流结构齐是不一样的，是以只可通过试错来进行逐级的放大。这个历程用度高、周期长、风险也很大。
是以，咱们团队一个很大的想法即是，用模拟软件把不同法式的湍流的结构齐给默契明晰，然后精确模拟湍流。比如说，践诺室里有了新工艺，咱们把它通过多法式模拟的软件模拟明晰了以后，就在工场里面一步放大到工业化，不详小试、中试等的历程。这个历程若是能够已毕，就不错大地面缩小研发周期，检朴许多用度。
用气体和颗粒的体系揣测湍流
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早在100多年前，东说念主们依然发现了为止湍流的方程，也即是纳维·斯托克斯方程（NS方程）。纳维·斯托克斯方程是七个千禧年大奖繁重之一，若是谁能作念出来这个方程解的存在性和光滑性的诠释的话，就会得到100万好意思元的奖金。但到目下为止，这个问题还莫得惩处。
冯·卡门也曾说过一句话，咱们东说念主不成够因为莫得揣度明晰消化系统就不吃饭。湍流也一样，咱们不成因为解不了这个方程，就不不息往前发展了。
雷诺除了从科学上初次分辨了层流和湍流以外，他还有另外一个孝顺，即是将NS方程进行了一个平均处理。但这种作念法在进行工程专揽的时候，就出现了雷诺方程的不闭塞性问题，产生了一个雷诺应力项，在数学上没法算。要算的话，必须对雷诺应力项进行模子化求解，也即是设立湍流模子。
湍流的模拟浩荡分三类，第一种是通过雷诺平均NS方程。比如说像上边这个践诺的图，遴选平均NS方程求解的话就会出现下图右边最底下的这个图形，一看就知说念太约略了。
▲王利民, 郭舒宇, 向星, 付少童.
化工学报, 2022,73(06):2415-2426.
Piomelli, U.; Balaras, E. Annu. Rev. Fluid Mech.
2002, 34, 349–374.
往上的话就次序受大涡模拟来求解，也即是小法式的涡就不明析了，默契90%的大涡，这样得到的模拟会更准确少许。而若是用平直数值模拟来求解的话，通盘这个词结构就会被默契得更明晰少许。
从下往上的三种才智模拟越来越准确，可是有一个污点，即是蓄意量也越来越大。比如咱们想作念飞机全机法式的空气能源学模拟，假如把全球的蓄意资源加起来，然后把蓄意机的算力推拿尔定律来推算，也即是默许每18个月蓄意机的才智翻一倍，咱们要到2080年才能对大飞机的空气能源学进行全机的模拟。
哪怕是用蓄意量稍小一些的大涡模拟，ag百家乐赢了100多万也要到2045年才能够已毕。是以在工程上，更多的如故用的20世纪90年代的这个湍流模子。但问题是，这个模子它算得快，但算得不准，那奈何办呢？
▲Li J., 1987, Ph.D. Thesis,
Institute of Chemical Metallurgy,
Chinese Academy of Sciences, Beijing, China
Li J., Kwauk M., 1994,
Metallurgical Industry Press, Beijing, PR China
在40年前，我的导师李静海院士等建议了一种能量最小多法式（EMMS）的模子。但其时不是用于湍流，而是用在含有气体和固体颗粒的流化床系统里面。在这个模子中，他将气固系统阐明成三个法式。一个是催化剂颗粒单位法式，第二个即是反映器开垦的宏法式，还有一个是介法式。
他们发现，介于单位法式和宏法式之间存在一个动态的时空结构——颗粒聚团。这种动态的时空聚合作构既会影响颗粒的名义反映，也会影响着宏不雅的反映，对传递历程起着决定性的作用，这即是介法式。
在这个能量最小多法式模子里面，李静海院士等建议用8个结构参数来描写这种介法式结构颗粒聚团的行动。可是他只设立出6个能源学方程，也就说这个模子不闭塞，没法算。于是他们引入了一个巩固性条目进行闭塞，这个模子就顺利准确模拟了工业范围的非均匀气固系统。
建议能量最小多法式的气固模子之后，李静海院士就在念念考，是否能够把这种念念想专揽于湍流，这也即是他招收我作念博士揣度湍流的原因。
设立既准又快的湍流模子
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从刚才的叙述里面咱们不错提防到，气固系统模子的不闭塞性问题和湍流模子的不闭塞性问题有很大的相似性。是以经过10多年的探索，咱们也在湍流里面作念出了一些尝试，最终设立了能量最小多法式的湍流模子。
▲Wang L, Qiu X, Zhang L, Li J. Chem. Eng. J., 2016, 300: 83-97.
王利民, 中国科学, 2017, 47, 070008.
Guo S, Wang L. Particuology, 2021, 58: 285-298.
王利民, 郭舒宇, 向星, 付少童. 化工学报, 2022, 73: 2415-2426.
不同于传统的湍流模子弱化了流动中的层流要素，咱们的湍流模子将复杂的流动阐明成了湍流要素和层流要素的夹杂物。
庸碌少许说，比如咱们所处的这个房子即是一个蓄意的网格。像传统的湍流模子会假定通盘这个词屋里面的通盘流体是充分湍流的，但事实上，这个屋里面可能只消在空调口和房间进口处的流体是充分湍流的，而在房屋某些边际的流体基本上是静止的，是处于层流状况的。
是以，传统的湍流模子弱化了层流要素，这样的作念法跟物理图景不太吻合，这就导致它的模拟精度不高。而咱们的模子不错捕捉这种层湍共存的状况。
▲Chem. Eng. J., 2016, 300:83–97.
比如这是模拟方腔流动的历程，这是化工里常见的一种开垦。当雷诺数在10000的时候，在边际上本来是应该有二次角涡的，可是传统的湍流模子捕捉不到二次角涡，而咱们的模子就不错捕捉到。此外，咱们模子预计的速率漫衍和践诺数据吻合得更好，也即是说咱们顺利提高了湍流模拟的准确性。
▲Fu S, Wang L. Chem. Eng. J. 2023, 465, 142898.
Fu S, Su W, Zhang H, Wang L. Chem. Eng. Sci. 2024,283, 119407.
准确性提高后的下一步，即是奈何提高蓄意的速率。咱们团队在2007年提防到，图形处理器GPU不错用来加快科学蓄意。不同于传统的蓄意机里浩荡是用CPU中央处理器进行蓄意的，这种图形处理器不错同期开展千千万万个线程。咱们发现，用每一个线程蓄意一个颗粒或追踪一个网格，这样蓄意速率就特别快。
▲视频开端：NVIDIA
这有一个科普视频为大家展示CPU和GPU蓄意旨趣的各别。比如要画一个图，CPU是以串行任务的体式来开展，而GPU是以多线程的体式来作念的，通过访佛喷发般的刹那间就不错平直得到一个图，后果特别高。
▲图片开端：https://ipe.cas.cn/xwdt_/
tpxw/202105/t20210520_6034725.html
在2009年，英伟达的CEO黄仁勋先生来历程工程所，鉴于咱们在这方面作念的首创性的责任，给咱们历程工程所颁发了CUDA越过中心的称呼。
2010年，咱们也顺利研制出了首套单精度的千万亿次超等蓄意机系统。
其时咱们的责任也为GPU在科学蓄意的专揽上大开了一扇窗口。跟着目下对东说念主工智能和算力的浩瀚需求，咱们嗅觉好像错过了一次致富的契机。
用自主软件助力中国制造
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人所共知，目下芯片“卡脖子”问题很严重。本体上在工业软件领域，“卡脖子”问题也很严重，咱们目下用的工业软件90%齐是泰西研发的。
可是，咱们目下有了我方的EMMS湍流模子的算法，有了新的异构蓄意格局提高速率，于是咱们顺利开发了一款既快又准的格子多相流膂力学模拟软件，简称LMFD。
这个软件在2023年还赢得了互联网国产自主软件最具影响力寥落奖。
这个软件有什么上风呢？咱们不错将底本超等蓄意机才能完成的任务阐明，用目下玩游戏的游戏（札记）本就能够完成。这是基于咱们这个软件齐集游戏本作念的一个仿真机。
这是咱们用仿真机来模拟的一个算例。这个算例若是用咱们的软件蓄意，只需要1.5个小时就不错算完。若是用传统的软件在CPU的框架下来蓄意的话，需要3个月的期间。
▲洋流湍流模拟与蓄意
这个软件有什么用呢？比如，它能提高天气预告的准确进程。目下的天气预告很猛进程上依赖数值天气预告的模子，它包含对空气的蓄意和对海洋的蓄意，这些流体历程齐触及复杂的湍流，湍流模子对它的精度影响特别大。用咱们的软件，就不错已毕公里级分辨率的洋流模拟，来提高数值天气预告的质料。
航空发动机是飞机的“腹黑”，被誉为航空工业金冠上的明珠。
▲航空发动机压气机的湍流模拟
咱们的模子不错蓄意航空发动机里面复杂的湍流作用，为联想航空发动机的叶形等各方面的精度优化提供提示。
此外，咱们也和301病院进行合作，模拟心血管内的血液流动，因为血管里也会出现湍流，非常是血管局促乃至堵塞的时候。左边这个图是通过CT扫描得到的东说念主体上半身部分的血管，咱们不错以它为畛域条目来进行蓄意，通过软件模拟探索甩掉支架的样式。
比如在病东说念主需要腹黑搭桥的时候，若何甩掉腹黑搭桥的开垦阻力更小，血液流得更畅达。
▲原子层千里积仿真及机理揣度
在新能源材料方面，咱们和宁德期间合作，为他们研发新能源材料分娩工艺的联想放大作念了好多优化模拟。这种升级有什么真谛呢？正负极材料的改性升级大要能使这个电板的轮回周期由当年的6000次提高到8000次，这意味着新能源汽车当年能用8年的，将来可能不错用10年。
像宁德期间以偏激他的中国制造企业，目下依然走到了寰宇跨越的“无东说念主区”，前边依然无东说念主可供参考。那下一步再要若何普及？这就需要通过模拟仿真来巩固、探索，从而保执咱们中国制造的跨越地位。
这是咱们能量最小多法式揣度团队LOGO的一个绕流模拟。咱们团队的名字叫EMMS Group，后头流动的齐是咱们算出来的湍流。
在20年的湍流揣度中，咱们的责任仅仅湍流揣度大大小小的一小步，离惩处湍流本体上如故有很长很长的距离。
在这20多年的揣度中我有少许感悟，本体上东说念主生就像湍流，如斯秀丽，七彩缤纷，咱们一直身处其中，却似乎却从未确凿涌现过他。
谢谢大家！
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《物理》50年精选著述
