——记北京航空航天大学中法工程师学院教授方乐
　　
本刊记者  石艳美

      湍流，一度被人们称为“熟悉的陌生人”。说它“熟悉”，是因为它无处不在，上至宇宙星系的时空变化、星球内部的翻滚流动，下至滚滚奔腾的熔岩；远至波涛汹涌的海洋，奔腾不息的河流，近到日常可见的锅炉、反应器、涡轮和水泵中的流动等，到处可见湍流的身影。而说它“陌生”，则是因为自1883年的雷诺湍流实验至今，众多物理学家、数学家和流体力学家在该问题上进行了大量的研究，经过了100多年的努力，还没有建立成熟的湍流理论，许多基本技术问题仍得不到理论解释，甚至于量子力学开创者之一、诺贝尔奖获得者海森堡临终时在病榻上说：“我要带着两个问题去见上帝：相对论和湍流。”2012年度国家最高科学技术奖获得者郑哲敏院士也联名国内其他4位院士指出：21世纪力学发展的第一个大问题是湍流。
　　作为世纪难题的湍流到底有何“能耐”，一直挑战着人类智慧的极限？而今，北京航空航天大学中法工程师学院教授方乐接下这份来自湍流的“战书”，从容应战。从最初钟情于计算机专业到埋身流体力学乐此不疲，从一开始跟着别人做到逐渐建立起自己的研究体系，方乐从未停下追求的脚步。对他来说，湍流之难，尽管难于上青天，他也要做那个勇攀青天的人。
　　
亚格子建模：
　　方法论上的新思考

　　方乐从本科走进流体力学，一直做湍流的理论和数值建模。2006年从清华大学硕士毕业后，前往法国里昂中央理工大学流体与声学研究所攻读博士学位，并从事博士后研究。2012年方乐回国在北京航空航天大学任教，一方面在中法工程师学院培养国际通用工程师，一方面也一直在湍流理论与数值建模中探索耕耘。他说，关于湍流的世纪难题从物理根本上来说，是指目前还不了解湍流运动的动力学机制，无法精确预测出湍流的运动规律；而在另一方面，在过去一个多世纪的研究中，发展出来的边界层理论和其他的或经验、或唯象的湍流模型理论能够揭示壁湍流运动的一些基本特征，在工程应用中，这些不太精确的理论虽然可以解决一些工程问题，但是精度有限。“湍流数值计算在许多工程应用中扮演了重要角色，从陆地、海洋、天空等交通运载工具，到原子弹、导弹、氢弹、战斗机、船舰等国防武器的设计等都有重要的理论意义和工程价值。因此，提高湍流数值计算精度是一项艰巨而又紧迫的工作。”
　　湍流数值计算的核心是各种模型，其中大涡模拟（LES）的亚格子模型是一种较先进的方法。尽管LES经过了半个多世纪的发展已经得到了越来越多的发展和应用，各种不同的亚格子模型不计其数，近年来新型亚格子模型也层出不穷，但这些模型并没有从本质上提高LES的普适性，对亚格子建模合理性与可靠性的质疑也从来没有间断过。在方乐看来，必须要重新反思亚格子建模过程的合理性。他对记者说，如果只是不断对亚格子模型做各种修补，开发一个又一个新型亚格子模型，其实并没有为大涡模拟提供通用的解决方案，也并没有提高人们对大涡模拟方法的接受程度。只有跳出模型“修补”的圈子，不是从模型检验入手，而是去对亚格子建模方法过程进行抽象化，推导出数学兼容性准则，从一个全新的角度去指导亚格子建模方法本身，让建模过程中的每一步都在物理和数学上有迹可循，这样才能为促进大涡模拟方法的发展提供通用性建议。
　　在对亚格子模型的研究过程中，他也经常反思，自己的“路”是不是走错了？能不能跳出现有的研究思路站在更高层次上去看待亚格子模型？“经过长时间的不断摸索，现在慢慢形成了自己的思路。在做研究的时候，经常有‘不识庐山真面目，只缘身在此山中’的感觉。我现在想跳出流体力学的范畴，站在偏微分方程的角度，从数学领域来看亚格子建模，而不是循环的‘搭积木’。做这样的事也更有意思一点。”在2017年国家自然基金面上项目“大涡模拟亚格子建模的数学兼容性准则研究”中，方乐希望能够系统地总结亚格子建模过程中采用的假设和限制，推导它们需要满足的数学兼容性准则，在现有亚格子模型中进行验证，用以改进现有模型，同时为今后的亚格子建模提供数学兼容性方面的准则和方法论，为大涡模拟建模方法的科学化和规范化做出有特色的探索。
　　方乐把想法积极转化为行动，“大涡模拟亚格子建模的数学兼容性准则研究”就是他想法的探索。在开展该项研究的同时，方乐对非均衡湍流又进行了积极的探索。他说，他的研究方向放在我国来讲是偏冷门的，但也可以说是独特的。而他要把这个冷门的研究做出特色，为湍流的理论研究和工程应用建立一座桥梁。
　　
非均衡湍流：
　　理论和工程的桥梁

　　方乐说，人类对自然界的认识总是从特殊的简化现象出发，逐渐拓宽，进而寻找更普遍的复杂现象中的规律。因此，随着人类认识自然界的深入，从简化情形向普遍真实情形的跨越是一个必然的过程。人类对湍流的认识也是如此。均衡湍流是理论研究中一种简化的理想流动形式，非均衡湍流才是自然界和工程应用中更普遍的流动形式。湍流非均衡性的研究将直接对接国家的重大战略需求，如“两机”重大专项。高效率高负荷叶轮机气动设计一直是“两机”研制过程中的主要瓶颈之一。近年来随着国家对高推重比航空发动机和高性能燃气轮机的重大战略需求，对提高叶轮机负荷、减少级数不断提出新的、更高的要求，使得叶轮机中的流动环境进一步恶化，这导致其中的湍流特性更为复杂。目前由于对复杂环境下湍流机理的认识还远远不够，使得在工程上无法对叶轮机流动进行准确预测和有效控制。“突破这一瓶颈，关键还得从基础研究出发，深挖其物理机理，这样才能够有效地应用到工程建模和设计中。而湍流非均衡性研究正是对复杂环境下湍流机理的诠释。”方乐说。
　　由于困难性和复杂性，湍流“非均衡性”这一相当普遍的能量传输特性，迄今仍未得到充分的研究，甚至对非均衡湍流的定义和理解也都尚未统一。在过去的5年中，方乐采用谱空间和物理空间的联合多尺度分析的研究方式，建立了一套原创的非均衡理论体系，巧妙地以能量传输的扰动为出发点，对传统的Kolmogorov理论做了扩展。在2012年和2015年国家自然科学基金青年和面上项目的支持下，方乐对这个理论体系建立的已经越来越完善，该理论体系正在包括叶轮机流动在内的各种流动中得到阐释和应用，同时也启发着新的湍流模型的产生。
　　如果把湍流比作一本书，那这本书必定是一本如椽巨著，怎么也读不完。但它对人却有着无尽的吸引力。方乐就是这么一个被湍流紧紧吸引的人。对湍流的不竭探索，方乐对非均衡湍流和亚格子建模方法展开了众多原创性工作，填补了国内该领域的研究空白。方乐坦言，他是一个想法比较多的人，不太适合跟着别人做，他想建立自己的团队，做自己喜欢的研究。现在，他已拥有自己的团队，正带着团队攻向力学的世纪难题——湍流，同时也在其他领域，如数值格式、人群流动、红外触屏算法等方面做出了一些有特色的工作。雄关漫道真如铁。在前进的道路上，方乐热情饱满，一路驰骋。