——记湍流与复杂系统国家重点实验室

流体力学中的湍流被认为是经典物理中最后一个没有解决的问题。作为复杂流动现象的湍流广泛存在于自然界中，从日常生活到宇宙尺度都存在湍流运动，湍流运动是构成世界丰富多彩的一个重要因素。湍流的研究也带动了许多相关学科，如数学、物理、计算技术和实验技术的发展，因此湍流研究是自然科学中重要的基础科学研究。同时，湍流在工程中占有重要地位，长期以来，在航空航天、地面和水下航行、流体机械、大气和海洋、能源开发、建筑、环境科学和仿生学等众多学科领域中，湍流是最常见的问题。

光荣的学术传统

湍流研究国家重点实验室是在著名科学家、北京大学原校长周培源先生的支持与倡导下，于1995年年底通过科技部验收而正式成立的，具有光荣的学术传统。周培源先生作为国际湍流研究的开拓者20世纪40年代就在湍流理论方面做出了重要的开创性工作，奠定了湍流模式理论的基础，建立了具有国际影响的湍流中国学派。经过半个多世纪的发展，北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室已经形成了在国内外有重要影响的湍流研究机构，被国家基金委授予“创新研究群体”称号。为了在更高层次上寻求湍流问题的突破，在交叉前沿科学领域开发新的学科生长点，深入发展非线性科学与复杂系统科学，2001年报科技部批准，实验室更名为“湍流与复杂系统国家重点实验室”。

实验室拥有国际知名学者佘振苏和陈十一两位专家。佘振苏教授是国际著名的湍流理论SL模型的创立者，1999年起在受聘首批教育部特聘教授，曾任北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室主任。陈十一教授是国际著名的流体物理和计算流体力学专家，自2005年起，被聘为北京大学终身讲席教授，担任北京大学研究生院院长，北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室主任。1999年起，佘振苏和陈十一就着手在北京大学组建新一代湍流研究团队。团队以国家急需的具有重大应用价值的可压缩湍流为背景，集中研究可压缩近壁湍流的形成机理，揭示湍流的深层次动力学规律，建立新的湍流理论，发展先进适用的可压缩湍流模型，在解决若干国家重大工程急需的湍流问题的同时，带动和培养一支精干的湍流研究中青年队伍。

2008年，重点实验室在专项经费支持下，连续组织了针对我国航空航天湍流基础研究需求的系列研讨，成功申报科技部“973”项目“飞行器气动力学与光学设计中的关键湍流问题”，佘振苏教授担任首席科学家。另外，陈十一教授为首席的北大湍流团队和中国商飞公司、清华大学与北京应用物理与计算数学研究所等一起承担了工业和信息化部“民用飞机气动力预测新方法和优化设计”国家重大专项课题。重点实验室成为名符其实的中国湍流研究中心。

除了飞行器等传统湍流应用领域，北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室还对风力发电、惯性约束核聚变等涉及湍流和复杂流动的国家能源领域的重大课题给以关注和支持，甚至还将湍流研究与“体育”联姻，成功设计了奥运皮划艇激流回旋项目的赛道，并辅助中国激流回旋皮划艇实现了世界大赛奖牌零的突破。

先进的研究成果

湍流与复杂系统国家重点室定位于湍流和力学复杂系统的基础研究，研究方向为湍流基础与应用，复杂流动，以及复杂系统的关键力学问题。在湍流和力学复杂系统下，实验室设立了10个研究课题进行重点培育，其中紧密围绕湍流基础研究的核心课题包括可压缩湍流的多过程分析和大涡模拟模型、不可压缩和可压缩和湍流结构系综研究、高超声速边界层流动稳定性研究、线性稳定平行流的转捩等。与力学复杂系统相关的课题包括航空航天材料与结构的高温力学理论与强韧化机理、流-固耦合动力学问题的研究，超滑移表面功能材料的研制及其在分离流动控制中的应用，碰撞、摩擦中的跨尺度动力学行为研究，高超声速建模控制方法研究与实时仿真，对二氧化碳地质封存盖层特性的实验研究等。研究目标为立足湍流和力学复杂系统学科前沿，面向国家经济建设和国防安全的重大需求，为解决工程实际中与力学相关的核心技术难题，作出基础性的贡献。

2019年，北京大学工学院湍流重点实验室证实了理想流动中的亥姆霍兹涡量定理在一定条件下可通过构造一类虚拟环量保持速度推广于非理想流动。相关论文“Tracking vortex surfaces frozen in the virtual velocity in non-ideal flows”发表于流体力学顶尖期刊Journal of Fluid Mechanics。自1815年以来，柯西、开尔文、亥姆霍兹等学者曾探索拉格朗日观点下的流动结构追踪与研究方法，并于19世纪中叶提出了理想流动中著名的开尔文定理与亥姆霍兹定理。尽管该类守恒定理已成为现代流体力学中的核心内容之一，但它们在非理想流动（可含有黏、斜压、非保守外力效应）中均不成立，故人们通常认为在真实流动中无法精确追踪涡线与涡面，这也使得多年来难于深入理解转捩与湍流等流体力学经典难题中的涡结构连续演化机理。

实验室团队通过研究指出若将经典涡量相关守恒定理推广于非理想流动，需确定整体光滑的虚拟环量保持速度，并给出了该类速度的存在与唯一性条件，以及相应一系列虚拟守恒定理的数学证明（包括环量、涡通量、势涡、螺旋度守恒）。随后结合多年来发展的涡面场方法，利用直接数值模拟展示了虚拟速度与守恒定理的具体物理意义与应用价值。

该研究发现当流动中的黏性项与涡量正交时可得到显式虚拟速度，其流动性质可与量子流体相似。在该类非理想流动中可沿虚拟速度精确追踪涡面，且当涡面不经过涡量零点时涡通量严格守恒。另外，发现在含强非理想力的磁流体中，利用近似虚拟速度追踪涡面可有效消除洛伦兹力导致的涡面虚假变形，且阐释了涡面沿虚拟速度加速重联时会大幅增加动能耗散。因此该研究提出的虚拟环量保持速度不仅在理论形式上推广了流体力学教科书中的经典定理，而且可用于多物理场耦合复杂流动（如可压缩流、燃烧、磁流体等）中的涡面追踪等应用基础研究。

积极的学术交流

实验室与国际学术界保持着密切的学术联系，在开展学术交流活动方面成果显著。曾先后与美国普利斯顿大学、英国卡迪夫大学、德国Saarlandes大学、法国巴黎东大、丹麦技术大学、法国INRIA、德国卡尔斯鲁厄研究中心纳米技术研究所等国际一流大学和研究院所进行了广泛深入的合作研究。同时，实验室与清华大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、大连理工大学、香港城市大学、宁波大学、福州大学、中国科学院力学研究所、中国工程物理研究所、第二炮兵设计研究院等国内多所大学和研究机构通过实验室开放课题针对湍流相关问题进行深入的合作研究，建立了一个湍流研究的国际平台。

未来，湍流与复杂系统国家重点实验室将继续结合国家重大应用基础需求，深入探索湍流领域的关键问题，并与国内外相关团队针对湍流相关问题进行深入合作研究，为人类的长远发展贡献力量。