投身计算流体力学

——访中国科学院力学所研究员李新亮

本刊记者  宋 洁  张 军     

    李新亮毕业于吉林大学数学系力学专业，并于2000年在中国科学院力学研究所流体力学专业获得博士学位，随后在清华大学工程力学系做博士后。2002年博士后出站后，李新亮一直在中国科学院力学研究所工作。

    在这里，他投身于计算流体力学的研究及教学中，并对湍流这一百年难题进行了深入探索。

致力于计算流体力学软件开发

    计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD），是采用数值计算的方法研究流动问题的一门学科。该学科在工程及科研中发挥了重要作用，尤其是航空航天领域。

    飞机、导弹等飞行器设计中需要解决大量的空气动力学问题，早期主要依赖风洞试验，随着计算流体力学及超级计算机的产生及发展，采用数值计算的方法解决这些气动问题成为可能，这就是计算流体力学（CFD）。如今，CFD已在飞行器设计中发挥巨大的作用，很多飞行器设计仅需要少量风洞试验即可完成定型。CFD计算需对软件需求强劲，目前国际上已经有了很多较为成熟的商业CFD软件，而像波音公司这样的大型企业也有自己的内部CFD软件。与国外比，我国在CFD软件开发及推广方面仍有一定差距。

    面向应用中的强劲需求，李新亮在CFD算法、模型及软件方面投入十多年的研究，开发了一套开源的计算流体力学软件Open CFD。该软件包含了有限差分及有限体积两个求解器。

    有限差分求解器的最大特点是具有非常高的精度，最高精度可达十阶。该软的差分库包含了其自行开发的多种高精度差分格式，以及目前流行的高精度差分格式。主要用于直接数值模拟及大涡模拟等复杂流动的机理研究。有限体积求解器采用多块结构网格，集成了目前常用的数值方法及湍流模型，可用于像整架飞机这样的复杂外形流动的数值模拟。

    该软件的另外一个特点是，具有很强的并行可扩展性。测试结果显示，该软件在常规CPU体系上实现了五万余CPU核心的高性能并行计算；而使用众核系统测试时，并行规模达到近百万CPU核心。该软件获得了中科院网络中心2011年度的“计算规模奖”和2013年度“最佳应用奖”。

    该软件向国内外开放源代码，二维代码可在流体中文网下载（http://www.cfluid.com/bbs/forumdisplay.php?fid=2），目前下载量达到上万余次。三维代码也被国内外20多家单位使用。

专注CFD研究和教学

    李新亮及其团队在CFD算法，特别是在高精度激波捕捉格式方面取得了丰富的研究成果，先后开发了优化保单调差分格式、加权群速度控制格式等一系列高精度激波捕捉方法。与国际上流行的高精度方法相比，这些方法在尺度分辨率及计算效率方面具有突出表现。

    李新亮的精力不仅花在科研上，在教学方面，他更是以自己的一言一行深深影响周围的每一位学生，他教导学生就像一个农民侍弄自己的庄稼一样，用爱心，用耐心，教他们为学、为人。

    爱因斯坦曾说，对一切来说，只有兴趣才是最好的老师。兴趣的培养和激发是老师的责任和义务。在这方面，李新亮很用心。每年春季，他在力学所开设计算流体力学的课程，总是吸引了周围高校和研究所的很多学生前来旁听，外校听课学生的比例甚至超过了本单位的学生。他的课件和录像在“流体中文网”等网站被下载上万次，成为学习《计算流体力学》的主流课件。

探索湍流百年难题

    湍流是流体的一种多尺度复杂运动状态，自然界和工程中的流动多为湍流状态。湍流是自然科学中的百年难题。到目前为止，湍流的形成、发展机理及其数学模型仍未完全明确，该问题的研究一直是流通力学的学科前沿。飞机、导弹等飞行器设计过程中，无论是气动外形还是发动机设计都会遇到大量与湍流（包括转捩）有关的问题。这些湍流问题是飞行器设计中的“卡脖子”问题，也是工程关注的重点问题。

面向湍流难题，李新亮利用自主开发软件结合大规模并行计算，采用直接数值模拟（DNS）手段进行了深入研究。直接数值模拟是采用密集的计算网格计算出湍流全部尺度流动细节。该方法不依赖湍流模型，因而可以准确地计算湍流，且可以给出湍流的全部信息。是研究湍流机理、实现控制及及建立和改进湍流模型的有效手段。由于湍流的多尺度性，分辨湍流的全部细节需要非常密度的计算网格（网格点数动辄数亿，甚至更多）因而计算量非常巨大，对计算资源及计算软件要求苛刻。而飞行器湍流属于可压缩湍流、包含了湍流与激波等多种复杂因素，其直接数值模拟难度更大。国际上该流动的DNS研究也是近20年内的事情。

    面向飞行器可压缩湍流的难题，李新亮及其团队先后对可压缩槽道、平板、钝锥、压缩折角、激波—湍流边界层干扰等复杂问题进行了直接数值模拟研究。在此基础上建立了可压缩湍流数据库，该湍流数据库为湍流机理及湍流模型研究奠定了条件。到目前为止，该湍流数据库为国内外多个科研小组提供了研究可压缩湍流的第一手数据。

    钝锥体是火箭及导弹等高速飞行器的典型头部外形，其转捩位置及转捩机理在航天领域倍受关注。直接数值模拟（DNS）是研究该问题的有效手段，但由于计算复杂，国际上尚没有高超声速有攻角钝锥边界层湍流DNS结果报道。面向国家需求，李新亮团队开展了来流马赫数6小攻角球钝锥边界层转捩到湍流的直接数值模拟，得到了整个钝锥边界层转捩过程的全部流场。发现了小攻角情况下，高速钝锥表面上的转捩位置呈现出非单调曲线分布。在此之前，尚没有高超音速钝锥边界层湍流直接数值模拟（DNS）的公开报道，该结果是首个公开报道的高速钝锥边界层湍流DNS算例。该研究为认识小攻角高速钝锥转的捩机理提供了有力依据。

在求索中创新，收获中进步

    科学研究是探求未知的工作，贵在求索创新。在投注大量科研精力的领域中，李新亮一路耕耘一路收获。他承担了自然科学基金、“973”“863”等课题以及国防专项等一系列科研项目。获得2000年度中国科学院自然科学奖二等奖、2013年陕西省国防科技进步一等奖等奖项。

    除了收获这些荣誉，他还在多项社会活动中发挥所长。现在，李新亮兼任中国空气动力学会物理力学专业委员会副主任委员，中科院超级计算用户委员会委员，“十二五”中科院信息化专题用户组成员，计算物理学会常务理事，《计算物理》杂志编委等众多职务。目前还担任国际知名杂志“Computers & Fluids”的地区编委。

透过这一串串闪光的足迹，人们不难看出李新亮对科研的不懈追求。正因为有无数青年科学家的执著与追求，才会有中国科技的春天。