访谈掠影
2019年11月15日下午2:30，由力学技术研究院开展的力学家访谈，在IMT办公室进行。本期访谈的嘉宾是力学家李新亮研究员。IMT研究生和部分教师参与了本次访谈。
本次访谈，学生主要以李新亮研究员在计算流体力学中数值模拟方法的使用以及取得的主要成果为采访重点。采访内容如下：
问：您一直在进行飞行器湍流大规模数值模拟研究，能否向我们简要介绍一下在湍流研究中采用数值模拟方法有何优势？
答：
在飞行器空气动力学研究中，主要有三种手段，包括理论分析，实验研究以及数值模拟（即CFD）。其中，数值模拟周期短，成本相对较低，在飞行器气动研究中发挥着越来越重要的作用。举个例子，像飞机的空气动力学设计，目前气动数据很多是用CFD来完成，大大加快了研制周期。比如说波音787相当多的气动数据是用CFD做的，整机风洞实验只进行了有限几次就定型了。对于像湍流这样多尺度复杂流动，直接数值模拟可以给出整个流场高时空分辨率的数据，这种第一手数据对于研究湍流机理、发展湍流模型以及进行湍流控制研究是非常重要的。
问：在CFD算法中，精度十分重要。您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。能为我们简要介绍一下这些高精度捕捉方法吗？
答：
以精度分类，CFD算法可大致分成两类，一类是两阶精度的常规精度，一类是两阶精度以上的高精度。工程问题的计算，像整架飞行器气动力热这类的工程计算目前大多采用常规精度来计算，但是如果流湍流场精细模拟，比如我们做的湍流直接数值模拟，则需要用高精度的计算。湍流是一种多尺度、非线性、非定常的流动，它具有大大小小的涡，如果这种情况下仍然用常规的二阶精度的来计算，它就可能将湍流的小尺度涡给耗散掉，就无法得到高解析度的结构，所以必须采用高精度方法。我们开发了一系列高精度的方法，主要是一些高精度的激波捕捉法。因为我们主要是研究可压缩湍流，而且是马赫数比较高的情况，既有湍流又有激波，只能采用高精度高分辨率，同时还要有强激波捕捉能力的方法。目前国际上已经有不少方法，比如说著名的WENO格式，但它仍有一些不足之处，例如耗散还是有些偏大，且计算量比较大。我们在这基础上做了一些改进，构造了优化保单调差分格式，降低了耗散而且减少了计算量，同时计算效率比较高，计算速度要快近一倍。当然我们构造的优化保单调格式也有缺点，其鲁棒性要弱一些，但是我们采用了一些其他的方法，比如说滤波方法等，弥补了它的鲁棒性。现在我们的DNS采用的计算方法多数是我们自己开发的，包括优化保单调，加权群速度控制方法等等。
问：数值模拟研究中，模型的建立也是十分重要的一环。而您所研究的飞行器湍流大规模数值模拟的模型想必非常复杂，能向我们介绍一下您在模型建立这方面的心得吗？
答：
好的。比如说咱们研究湍流，湍流模型是一个热点和难点问题，也是当前影响湍流计算准确度的一个主要问题。而我采用的方法叫直接数值模拟（DNS），它的好处是不用涉及湍流模型。这是为什么呢？因为流动本身就有它的控制方程，即Navier-Stokes方程，无论层流还是湍流这个方程都适用。当计算网格非常密，能够解析到湍流的最小尺度的时候，是无需使用湍流模型的，直接求解Navier-Stokes方程就行，这就是直接数值模拟。工程上要建立湍流模型是因为受制于计算量，网格无法做得这么密。网格分辨率不够，网格中残留的小尺度只能通过建立模型表示出来，其中各种涡十分复杂，建模难度大。如果网格可以达到分辨湍流的最小尺度，就无需使用模型了，当然这种方法计算量非常巨大，大型工程问题的计算还难以承受。这时可以采用一种折中的方法，即大涡模拟，采用滤波方法把大小尺度流动分离，大尺度流动直接计算，小尺度流动提模型。我们课题组最近也做了一些大涡模拟，提了一些新模型。大涡模拟中网格的分辨率比直接数值模拟更粗些，但比工程中用的RANS要密一些,也是一种非常有发展前途的方法。
问：您在力学所开设的计算流体力学课程十分受欢迎，外校旁听生甚至超过本单位学生。在您看来，教学和科研之间是如何相互促进的？
答：
我挺喜欢教学的，我在国科大和力学所给研究生讲授《计算流体力学》，差不多有10年了，教学是可以促进科研的，首先教这门课对老师自己的知识是一个促进。以我为例，我讲计算流体力学，当我最开始讲课的时候，我对这门学科了解是很浅的，因为搞科研的通常是对一个知识点了解地会比较深入，而与这个点关系不大的内容涉猎就会比较少。在第一次讲《计算流体力学》课程的两周前，我甚至于连黎曼解的概念都不清楚，两周时间我读了大量的参考书，每天都在琢磨，在讲课前终于弄明白了。这说明教学对老师自身知识水平提高有很大促进作用。
同时科研对教学也具有促进作用，如果老师走到一个领域发展的最前沿，他给学生讲课的时候就会有个完整的知识脉络，比如说高精度数值方法的发展，从最早的一阶精度方法的到两阶精度方法如TVD，到ENO的三阶精度，然后到更高的五阶及以上精度的WENO方法，再到最新的其他方法。站在前沿上，你可以看到整个脉络，这会使讲课条理更清晰，教学和科研之间是相互促进的。
问：湍流在生活中可以说无处不在，而其研究难度更是不言而喻，正如钱学森先生所述，世界上最复杂的问题可归纳成十个半复杂系统，而湍流正是那半个。您对研究生开展湍流方面的研究有何建议？
答：
有很多说法跟这类似，表达意思都差不多，即湍流是理论界最难的课题之一，
之所以大家认为湍流很难，首先是因为研究的时间已经很长了，从雷诺实验到现在有一百多年了，这么长的时间，湍流的非线性机制以及它的RANS计算模型，现在仍有待深入认识。对湍流结构的产生、发展和演化规律，以及与气动热等的关系等机制仍有待深入研究。
鼓励青年人啃这块硬骨头，因为它本身不是一个孤立的系统，湍流具有非常重要的应用，现在研究湍流领域、流体力学领域和空气动力学领域的人越来越多了，并不仅是它理论方面的难度很吸引人，更是因为实际工程需求的牵引。湍流和转捩是当前飞行器空气动力学领域的研究热点，现代先进飞行器性能要求更高，为了追求更高的性能，需要对湍流和转捩机理、模型及控制有更深入的认识。同时湍流也是一个很好的理论性问题，如果湍流问题得到了解决，可以促进数学以及物理学科的飞跃，比如说N-S方程的存在性、唯一性与稳定性、流动为什么发生混沌？这些东西如果得到解决，数学也有可能会更上一个台阶。 因而湍流研究是非常重要的。
采访人：陈品元
采访稿：戴远帆
摄 影：李权威
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