回顾早期中国的湍流研究

回顾早期中国的湍流研究

张炳乾 胡斌

江苏大学京江学院，镇江 212000

摘要：中国的湍流研究发展历史并不长，从20世纪30年代开始，主要的人物有周培源、张国藩、林家翘、庄逢甘、谈镐生等诸位先生 。本文简单介绍了早期湍流研究的科学家们为中国湍流事业的发展做出的重要贡献，他们的巨大努力为今后中国湍流研究的发展奠定了坚实的基础。

关键词：湍流，湍流统计理论，均匀各向同性湍流，N-S方程

1 引言

最先在中国的湍流研究是出自王竹溪，王竹溪在周培源的指导下发表了国内首篇湍流学术论文，“湍流”一词是王竹溪最早提出的。早期因为语言和文化的原因，中国与其他国家缺乏国际交流，中国的科学家们在艰苦困难的条件下开展湍流研究，奉献了一生在为中国科学事业的发展。本文简单的对部分湍流研究的科学家们做介绍，目的是让大家都能够认识这些为中国湍流事业发展在背后默默努力的先生们，对湍流研究发展有个简单的了解。

2 关于湍流理论

湍流的问题一直是流体力学领域中公认的难题，湍流其最主要的特点是多尺度有结构的非线性流体运动。早期科学家们对于湍流的研究是对数学方程的计算分析，20世纪30年代周培源在广义相对论的启发下对雷诺应力的表达式进行换算然后修正，之后建立了十七方程理论，这是早期中国湍流研究的初始阶段，这个理论是初代模式理论。随后时间周培源与他的学生对这个理论的建立进行改进和完善。随着计算机的发展，数值模拟逐渐成为了研究湍流的主要手段，科学家们建立各种湍流模型，例如涡球模型、相似模型、混合长模型等，对这些模型进行分析。但是由于受到设备的局限，当时科技水平还远不达到理论的验证，各种各样的模型都很难真正解决具体问题，需要运用超级计算机。早期有奠基性作用的是柯尔莫戈洛夫理论，即局部均匀各向同性湍流。最早由泰勒提出均匀各向同性湍流，后柯尔莫戈洛夫在此基础上改变，由于湍流运动是随机性的，在时间和空间上很难去测量判断，这个理论是一个理想湍流，把湍流的运动建立在均匀性（即流场统计平均量与其空间位置无关）和同向性（即流场统计平均量与其空间方向无关）基础上。后来周培源开始对均匀各向同性湍流进行研究，同时还有湍流统计理论的。

3 早期中国学者的湍流研究

3 .1周培源先生的湍流研究

周培源是我国湍流理论的奠基人，是流体力学四位巨人之一。他的绝大多数时间都花费在湍流的研究和发展中，取得巨大的成就。周培源最早开始湍流研究是在西南联大时期，由于抗战原因将研究重点从相对论转向湍流理论，以科学挽救祖国。

周培源是国际上第一个推导出脉动量方程并求出解的人，还提出了逐级逼近法求解湍流平均运动和脉动量，这一方法为现代湍流理论奠定了基础。周培源认为N-S方程适用湍流宏观方面，而不适用于湍流微观方面，如等离子湍流、湍流声产生规律、量子湍流等。他指出湍流宏观理论要从N-S方程出发，用坐标交换方法建立雷诺应力方程组，用高阶矩递推公式和脉动压力与脉动速度相关的半经验公式解出雷诺应力^[3]。

周培源培育出了众多优秀的学生，例如胡宁、是勋刚、李松年、黄永念等诸位先生，后来都成为国内知名的学者，他对湍流事业的热爱和对科学真理的努力探索精神影响了我国一代又一代的湍流研究工作者。

3.2张国藩先生的湍流研究

张国藩是我国对湍流研究工作最早的学者之一，他在博士毕业后回国，之后一直都在从事湍流的研究。他的博士论文研究成果在后来被研究流态化的人所使用。奥色迈尔在《流体论》一书中认为这是最先从单体被流体夹带的相互效应所进行的研究。

他对湍流的思考是：传统的纳维斯托克斯方程能不能用于湍流的研究？湍流研究中人们都是从N-S方程出发，最后的研究结果存在各种矛盾。为此他认为应该寻找其他的途径，先搞清楚湍流的物理机理，根据新的模型建立基本方程，提出自己的方程和方程的解。他提出有类似非牛顿流体幂数湍流阻力公式，给出不从N-S方程出发的运动方程，根据这个方程，求出了圆管湍流、湍流边界层、自由湍流流射尾迹等问题。他还利用了量子力学统计方法求得湍流微尺度有关的能谱分布式，发表了“试用量子力学统计方法求湍流能谱分布式”。如今天津大学成为国内的湍流研究基地与他早年的努力有重要的联系^[4]。

3.3林家翘先生的湍流研究

林家翘师从周培源和冯·卡门，他与Synge教授共同发表的“各向同性湍流的一个统计模型”中首次提出先求解后平均的思想，这思想后来成为周培源在湍流研究新方向的基础。他证明了海森堡的论文《关于流体流动的稳定性和湍流》是正确的，受到了学术界的认可。他发表过许多关于湍流的文章，比如“有关湍谱的评述”、“各项同性湍流衰变规律的和谱”等^[5]。

3.4庄逢甘先生的湍流研究

庄逢甘师从著名的流体力学大师H.W.Liepmann教授，研究力学领域最难的湍流问题，他的博士论文“湍流的统计理论”首次获得准确的湍谱解，并给出伯格斯方程初值问题的准确解。他对N-S方程有着长期的研究，在“论湍流衰变”文章中引入双尺度湍流概念，引发学术界广泛关注

^[6]。

3.5谈镐生先生的湍流研究

谈镐生长期从事流体力学领域的研究，他认为风洞栅格后的湍流不是均匀各向性，并提出单涡线模型，导出负二次幂的规律，还是首个建立植被湍流的局部扩散模型。他善于把理论与实践相结合，提出农田湍流边界层理论，建立基本方程，把农作物简化成动量汇，导出速度分布曲线，分析农田气流、传热等，为研究农作物生长提供理论依据^[7]。

4 湍流研究的进展

从二十世纪三十年代开始，中国湍流事业高速发展，取得了许多丰富的成果。除了上述先生们的研究，湍流理论方面的发展还有对湍流拟序结构的研究、1994年佘振苏教授和Leveque提出的层次结构和标度律、大涡模拟等，更多的发展是在工程应用方面。

5 结语

21世纪是湍流发展的世纪，信息化时代计算机的发展给湍流发展带来了巨大动力，许多的湍流模型在计算流体力学研究中应用，数值模拟能对这些湍流模型有更直观化的分析。我相信在不久将来，我国湍流的研究会发展到一个新的高度，正如马克思的观点：整个世界的发展是新事物不断替代旧事物的过程，不断解决新的矛盾促使了社会历史的发展。无论国内还是国外，在湍流科学家们的努力研究下，湍流这个世纪难题的面纱总有一天会被揭开，中国的湍流研究也将在世界上画下浓墨重彩的一笔。以上简单介绍了我国著名的早期从事湍流研究工作的老一辈科学家们，他们不畏科学研究条件艰辛，在湍流研究中鞠躬尽瘁，孜孜不倦地探索和研究科学真理，为我国湍流的发展做出了卓越的贡献。以后中国的湍流研究事业会在早期科学家们成果的基础上将鼎故革新、日新月异，我们后人应不断踵事增华、一往无前，向各位伟人学习。

参考文献

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作者简介：

张炳乾，出生于1999年3月，男，汉族，广西玉林人，江苏大学京江学院本科生在读，流体机械及其自动控制方向。

胡斌，生于1989年6月，女，汉族，黑龙江牡丹江人，江苏大学京江学院讲师，流体机械方向

【基金项目】本文系江苏大学京江学院2020年发展研究课题，项目编号：2020JGYA010