”十三五“流體力學學科重點發(fā)展戰(zhàn)略

2017-05-05 by:CAE仿真在線來源:互聯網

“十三五”時期是我國全面建成小康社會的決勝階段,經濟發(fā)展進入新常態(tài),依靠創(chuàng)新驅動、塑造引領型發(fā)展成為基礎研究供給側改革的必然要求。在2016年5月30日召開的全國科技創(chuàng)新大會、兩院院士大會、中國科協第九次全國代表大會上,習近平總書記提出了科技創(chuàng)新“面向世界科技前沿、面向經濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求”的基本方針。國家自然科學基金定位于“資助基礎研究和科學前沿探索,支持人才和團隊建設,增強源頭創(chuàng)新能力”,勢必為我國實現科技革命和產業(yè)變革,加快科學技術跨越發(fā)展發(fā)揮積極的作用。力學是一門應用性很強的基礎學科,其發(fā)展呈現顯著的“雙力驅動”規(guī)律,既緊密圍繞物質科學中所涉及的非線性、跨尺度等前沿問題展開,又涉及人類所面臨的健康、安全、能源和環(huán)境等重大問題,與科技創(chuàng)新“三個面向”的要求完全契合。當代力學強國都在力學的基礎研究和應用研究上同時發(fā)力,謀求實現兩者的良性互動。

力學學科的特點與戰(zhàn)略地位

力學是關于力、運動及其關系的科學。力學研究介質運動、變形、流動的宏微觀行為,揭示力學過程及其與物理、化學、生物學等過程的相互作用規(guī)律。力學為人類認識自然和生命現象、解決實際工程和技術問題提供理論與方法,是人類科學知識體系的重要組成部分,對科學技術的眾多學科分支發(fā)展具有重要的引領、支撐和推動作用。

力學學科具有完整的體系和分支學科,并且與其它學科交叉形成了眾多交叉領域,其主要特點如下:

力學是一門既經典又現代的學科,它以機理性、定量化地認識自然與工程中的規(guī)律為目標,同時具有基礎性和應用性;
力學是工程科技的先導和基礎,為開辟新的工程領域提供概念和理論,為工程設計提供有效的方法,是科學技術創(chuàng)新和發(fā)展的重要推動力;
力學是一門交叉性突出的學科,具有很強的開拓新研究領域的能力,不斷涌現新的學科生長點。

17世紀,牛頓力學體系的創(chuàng)立標志著人類歷史上第一門定量化科學的誕生,引領了自然科學的興起,奠定了力學基礎學科的地位,是許多自然科學、技術科學的先導,為認識自然規(guī)律、改造世界提供了最為關鍵和有效的手段。力學也是生命力強大和活躍的基礎學科,在20世紀,力學不僅完備了自身學科體系,而且產生了廣泛的學科交叉與融合,促使新的交叉學科形成,也極大地推動了其它學科的發(fā)展。同時,力學是幾乎所有工程科技的基礎和支撐,在我國現代化建設和國家安全中發(fā)揮了不可替代的作用。

與西方發(fā)達國家的現代化進程相比,我國尚處于工業(yè)化中后期,同時面臨著信息化的艱巨挑戰(zhàn)。黨中央提出大力推進信息化與工業(yè)化融合,走新型工業(yè)化道路,這對力學學科提出了雙重任務。一方面,要著力解決我國工業(yè)化轉型發(fā)展面臨的提升裝備質量、降低能源消耗和改善環(huán)境污染等突出問題;另一方面,要解決我國信息化發(fā)展中面臨的眾多力學前沿問題。此外,力學學科還要瞄準人類所共同面臨的健康、安全、能源和環(huán)境等世界性難題,為我國發(fā)展實現“彎道超車”和全面突破,發(fā)揮其獨特作用,提供堅實支撐。

力學學科“十三五”發(fā)展戰(zhàn)略

未來五年,國家自然科學基金委員會將繼續(xù)鼓勵力學學科原創(chuàng)性及引發(fā)學科理論創(chuàng)新的研究,重點加強面向國家重大需求的新概念、新理論、新方法和新技術研究,加大支持薄弱方向,不斷促進學科交叉,培育新的學科生長點。到2020年,努力培養(yǎng)具有國際影響力的力學家,形成在國際上有影響力的學科高地?！笆濉逼陂g,重點支持多場多過程下固體的本構理論及極端力學行為、近空間高超聲速流場內局部稀薄氣體流態(tài)機理和方法研究、高速流動中的可壓縮湍流問題、非線性系統(tǒng)的跨時空尺度動力學耦合機理及其應用等前沿問題的研究;加強新型材料的本構關系與強度理論、超常環(huán)境下材料與結構的力學行為、湍流理論及機理、高超聲速空氣動力學模擬與實驗、航空航天動力學與控制、生物組織與仿生材料的多尺度力學行為等優(yōu)勢學科;著力扶持多體動力學、結構力學和高速水動力學等薄弱學科;加強關注航空、航天、能源、海洋、環(huán)境、先進制造、交通運輸、人類健康等重大需求領域中的關鍵力學問題,形成對國家重大需求的重要支撐能力。

流體力學學科優(yōu)先發(fā)展領域

在對力學學科特點、國際發(fā)展態(tài)勢和國內發(fā)展趨勢分析的基礎上,根據《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020 年)》提出的 2020 年我國科學技術發(fā)展的總體目標和未來中國科學技術發(fā)展的總體部署,結合力學學科適應國家經濟、社會中長期發(fā)展的重大需求,綜合考慮力學學科未來5年的總體發(fā)展戰(zhàn)略布局和發(fā)展目標、交叉學科發(fā)展布局與重點發(fā)展方向,提出了不同力學學科的優(yōu)先發(fā)展領域。這些力學學科包括:動力學與控制學科、固體力學學科、流體力學學科、生物力學學科以及力學交叉領域。

其中,流體力學學科優(yōu)先發(fā)展領域包括如下幾個方面。

1、可壓縮湍流的生成及演化機理

高超聲速技術已經成為 21 世紀航空航天領域的制高點,高速飛行器氣動特性預測的關鍵問題之一是可壓縮湍流的生成及演化機理,與飛行器性能的精確預測以及飛行安全和控制緊密相關。可壓縮湍流廣泛存在于超聲速和高超聲速飛行器的外流、內流和部件繞流中,發(fā)展新型高速飛行器必須開展與高超聲速飛行相關的可壓縮湍流、流動穩(wěn)定性與轉捩機理研究。

主要研究內容包括:

充分認識超聲速 / 高超聲速條件下的湍流現象,研究湍流的影響因素和產生機理。
研究高超聲速流動轉捩機理、各種不穩(wěn)定擾動模態(tài)的相互作用機理、轉捩位置的預測,建立和發(fā)展普適性更廣的湍流和轉捩模型,包括化學反應的燃燒模型,建立有效的轉捩預測方法。
建立基于湍流機理的流動控制方法,進行湍流抑制或增強,達到對流動分離和非定常現象進行控制的目的。
研究與高超聲速飛行器構型相關的流動穩(wěn)定性特性,以及高溫引起的氣體物性變化對流動穩(wěn)定性的影響,發(fā)展基于流動穩(wěn)定性理論的轉捩預測方法。
開展可壓縮湍流模式的試驗驗證及數值模擬研究,準確預測高速飛行器的摩擦阻力和氣動熱環(huán)境。

2、非定常流動的機理及控制

非定常流所要研究的是流動特性隨時間變化的物理過程,運動學和動力學特性依賴于各種限制條件和流動的整個歷史過程,與工程問題密切相關。物體的非定常運動,經常伴隨著流動分離、剪切層和旋渦的產生、演化及相互作用,具有強的非線性特性,出現了一系列重要的流動現象,如動邊界及流固耦合、渦與邊界層的相互作用機理及演化、流體界面演化與失穩(wěn)及激波和旋渦共存的復雜流動等。多種因素的相互影響和制約,以及流動控制技術的發(fā)展,為實施流動控制和改善流動特性提供了多種可能的方法和途徑。

主要研究內容包括:

動邊界及流固耦合的非定常流動特性及其控制,包括運動固體或柔性體邊界、主動或被動變形的物體表面等。
復雜多介質間界面的演化與失穩(wěn),以及介觀三相接觸線與宏觀流動、界面運動間相互作用機理的高精度實驗、數值模擬和理論分析。
以激波、轉捩、湍流和旋渦分離流為主要特征的復雜非定常流動,邊界層分離形成的剪切層不穩(wěn)定性及其發(fā)展、尾流剪切層的相互誘導以及射流剪切層的混摻效應等。
非定常流動的控制方法,通過外加能量形成非定常擾動進行控制,包括與邊界層 / 剪切層不穩(wěn)定性匹配的擾動尺度與頻率的選取,可以進行優(yōu)化或次優(yōu)化的閉環(huán)主動流動控制。
高機動條件下的非定常流動機理、氣動 / 運動的非線性耦合作用機理、氣動 / 飛行力學一體化分析與模擬理論。

3、復雜相間作用的多相流

自然界中很多現象都與多相流相關,多相流同樣也普遍存在于化工、能源、水利、石油、制造、航空航天、環(huán)境保護和生命科學等領域所涉及的問題中。多相流動具有現象與過程復雜、涉及面廣和交叉性強等特點。多相流問題歸根結底是相間作用問題,主要體現在離散相之間以及離散相與連續(xù)相之間的作用。

主要研究內容包括:

多相湍流場及穩(wěn)定性,連續(xù)相脈動流動特性的確定,考慮復雜相間作用的湍流封閉模式的研究,離散相對于連續(xù)相的作用包括對湍流的抑制、增強和減阻以及稠密情況下的非牛頓效應等。
超聲速氣流與固相顆粒之間的動量、熱量傳遞特性,氣固兩相流流動特性參數敏感性和對撞的流動特性,典型材料超聲速氣、固反應中瞬態(tài)中間相時空分布和演化機理。
沙塵和污染物顆粒與大氣表面層高雷諾數壁湍流的相互作用影響規(guī)律和機理研究,污染物在大氣與水環(huán)境中的輸運、沉積與控制等。
受連續(xù)相流場特性制約的離散相動力學特性,離散相對連續(xù)相特性的影響以及離散相之間的相互作用。
連續(xù)流體相作用于小于微米尺度的剛性離散相,連續(xù)流體相作用于常規(guī)尺度下的變形離散相,以及小于微米尺度的離散相間的相互作用。
相界面動力學的本質屬性,離散相之間的碰撞規(guī)律及其對連續(xù)相的影響,超常顆粒的動力學模型。

4、空化與強非線性自由表面流動

海洋內航行器的高速化是發(fā)展的必然趨勢,它已成為水動力學的前沿研究課題。與空中和陸上相比,提速最慢的是水中運載工具,主要受阻力太高的牽制,因此高速水動力學及其相關的科學問題受到高度關注。高速水動力學主要研究涉及多相流、湍流、相變、可壓縮性和非定常等物理機制的自然空泡和通氣超空泡以及強非線性自由表面效應。

主要研究內容包括:

建立計及微觀群泡動力學特性的宏觀空化新模型,獲得空化流動內部流體介質的物理特征、空泡形態(tài)特征、流動結構、尾部流動特性以及作用在航行體上的流體動力特性。
建立超空泡穩(wěn)定性的分析方法和判據,發(fā)展超空泡流動研究的實驗技術和數值模擬方法,建立機動運動狀態(tài)下超空泡航行體的動力學模型。
建立考慮表面波與發(fā)射平臺運動等復雜因素的航行體高速帶空泡出水過程的水動力學模型,發(fā)展流固耦合模型,把握復雜條件下航行體出水的流體動力特性、出水空泡潰滅和沖擊載荷的變化規(guī)律。
發(fā)展航行體高速入水沖擊和帶空泡航行的流體動力特性與姿態(tài)控制的實驗技術和精細數值模擬方法,突破入水沖擊載荷預示技術,建立航行體高速入水空泡演化模型和作用于航行體的水動力載荷模型,把握航行體高速入水非控段航行的水動力學特征和運動姿態(tài)。
建立破碎波、液艙晃蕩、甲板上浪和入水砰擊等強非線性自由表面水動力學機理及流固耦合分析方法。

5、非牛頓流體的流動與傳熱傳質

在自然界和工程技術界,存在著許多非牛頓流體,它們種類繁多,形態(tài)各異,也常被稱為復雜流體。同時,隨著現代科學技術的發(fā)展,如今某些原本被認為是牛頓流體的介質在精細觀測或特殊情況下也被發(fā)現存在非牛頓流體的特性。非牛頓流體的力學問題普遍存在于與國民經濟發(fā)展和日常生活密切相關的各個領域,不僅影響工業(yè)領域的生產過程、生產效率和產品質量,而且也影響生物醫(yī)學領域的器械研制、疾病診斷和治療。

主要發(fā)展方向和研究內容為:

非牛頓流體的流動穩(wěn)定性研究,探討界面失穩(wěn)、彈性湍流的物理機制以及泥石流和雪崩等重大自然災害的觸變性流體特征,研究航天發(fā)動機中非牛頓凝膠推進劑霧化過程中的關鍵科學問題。
非牛頓流體新型本構關系模型的研究,深化分數階微積分在黏彈性流體力學中的應用。
研究生理、病理以及臨床治療中的非牛頓流體力學問題,弄清非牛頓效應對生物流體的復雜流動和傳熱傳質的影響。
研究納米非牛頓流體、智能流體的流動和傳熱傳質問題,以及微系統(tǒng)、3D 打印和聚合物材料加工過程中的非牛頓流體力學問題。
非牛頓流體的浸潤、流動減阻和熱對流的研究,進一步加強非牛頓流體力學在能源領域的應用研究。

6、流場測量新技術和先進分析方法

湍流的實驗研究是驗證理論和數值模擬結果、揭示新物理現象的重要手段。從實驗研究發(fā)展現狀和趨勢來看,流場診斷新技術和先進分析方法是兩個重要的發(fā)展方向。流場診斷新技術的不斷創(chuàng)新,能實現非定常復雜流動測量、極端環(huán)境下流動實驗測量和多物理量耦合測量,而先進分析方法則針對實驗測量存在的特定問題進行數據處理和分析,以提高實驗測量的精度和可靠性。

主要研究內容包括:

高時空分辨率三維非定常復雜流動速度場測量技術。
結合新型流場診斷技術,實現高超聲速、高溫高焓、超低溫環(huán)境下以及微小尺度下流動的實驗測量。
通過聲、光、電、核和磁等多方面技術手段,實現受力、速度、溫度、壓強和密度等流場多物理量的測量及耦合測量,全方位獲取流場的物理特性。
針對實驗數據測量誤差、隨機噪聲和時空分辨率等特有問題,結合流體力學理論分析和數值模擬,在提高實驗數據精度和可靠性上發(fā)展先進的分析方法,并形成有效的三維實驗數據的流場顯示、旋渦識別和模態(tài)分解等技術。
建設實驗標模湍流數據庫,搭建湍流數據庫交流平臺。

另外,在一些力學交叉領域,與流體相關的優(yōu)先發(fā)展方向包括如下幾個方面:

1、自然環(huán)境流動與災害演化動力學

環(huán)境流體力學的研究對象主要是自然環(huán)境和災害問題。當今的環(huán)境和災害問題都是綜合性的,且涉及的范圍和層次,往往跨越若干時空尺度,產生顯著非線性作用和多尺度效應。同時,流動介質十分復雜,大多都是非均勻、非連續(xù)和多相多組分的自然介質,流動過程經常導致劇烈的物質、動量和能量輸運,并伴隨有各種物理、化學和生物子過程。這種顯著的復雜介質和多過程耦合特征,也為流體力學的發(fā)展帶來新的科學挑戰(zhàn)。我國的環(huán)境流體力學研究,既要注重學科發(fā)展面臨的科學挑戰(zhàn),又要緊密結合我國環(huán)境和災害防治的實際需求,更加注重機理研究、規(guī)律分析與防治措施的有機結合。

主要研究內容包括:

自然流動的基本理論,包括自然界非牛頓流、多相流和顆粒物質流動的力學特性,大氣、水體和巖土體中的復雜流動機理,自然流動的非線性作用和多尺度效應,流動與物理、化學、生物過程的耦合機理。
西部干旱環(huán)境,包括計及大氣邊界層高雷諾數效應的風沙流 / 沙塵暴形成和演化過程及其定量預測,沙漠化防治設施及其布局的優(yōu)化設計和防治效果定量評估的方法,土壤侵蝕的力學機制及流域侵蝕的多尺度動力學模型等。
重大水環(huán)境,包括河流、河口海岸泥沙、污染物輸運及其對生態(tài)環(huán)境的影響,湖泊 / 水庫水質污染及富營養(yǎng)化動力學模型。
城市大氣環(huán)境,包括大氣污染及擴散輸運過程,霧霾形成機理及治理措施,城市熱島效應等。
重大環(huán)境災害,包括熱帶氣旋、風暴潮、山洪、泥石流的發(fā)生機理及預報模型和全球氣候變暖等。

2、材料設計與復雜流動的物理力學

物理力學以量子力學、統(tǒng)計力學、分子動力學、位錯動力學和連續(xù)介質力學等為代表性手段,開展跨尺度研究,建立介質宏觀力學特性與微觀結構演化之間的關聯。一方面可以彌補極端加載手段和精細觀察條件的不足,從理論上獲得極端條件下介質的宏觀力學性能;另一方面在材料設計、材料高壓狀態(tài)方程、表界面的基本物理特性、非平衡流動、復雜流體及高能束流與物質的相互作用等多個應用領域,對揭示非平衡現象、多場耦合機制、不同尺度結構與性能的關聯,具有獨特的優(yōu)勢。

主要研究內容有:

以高強、高韌、輕質結構材料和滿足各種極端服役條件的先進材料為背景,開展材料跨尺度力學行為與材料設計研究,探討跨越不同尺度的描述方法及突變出現的規(guī)律。
表面 / 界面物理力學,重點關注多場耦合下“固-液”界面移動接觸線問題, “固-固”界面納微米接觸、摩擦、潤滑、吸合和黏附等問題,“固 - 生物”界面的生物組織與固體材料表面接觸和黏附相互作用。
稀薄氣體動力學,重點關注近空間飛行環(huán)境預報與分子漲落特性、過渡稀薄氣體區(qū)域的求解等研究。
微重力流體物理與空間生命科學,重點關注長期微重力環(huán)境下的流動、傳熱、燃燒及空間生命科學問題研究。
高能束流與物質的相互作用,重點關注強激光輻照下材料和結構中的能量耦合、瞬態(tài)熱傳導、熱應力與熱沖擊、相變與化學反應及失效行為等復雜多場耦合問題。
納微尺度流動與輸運規(guī)律、復雜流動與輸運現象中的電磁及化學反應耦合等。