访谈掠影
2019年 11 月 19日下午 3:00，由力学技术研究院开展的力学家访谈，在 IMT 办公室进行。本期访谈的嘉宾是北京应用物理与计算数学所田保林研究员。IMT 研究生和部分教师参与了本次访谈。
本次访谈，学生主要以田保林研究员在界面失稳和湍流混合的高精度数值模拟研究工作为采访重点。采访内容如下：
问：我们关注到您上个月参加了第四届计算力学前沿问题国际讨论会，介绍了模拟可压缩多相流动的PIC方法与应用，能否请您对此再简要介绍一下？
答：可压缩多相流的高精度数值模拟一直是目前理论和数值模拟的难点问题之一。目前对于稀疏颗粒两相流和稠密颗粒流动都已经有了较好的解决办法，对于稀疏颗粒流主要采用颗粒轨道模型，稠密颗粒主要采用双流体模型，难点在于从稀疏到稠密过渡的跨流态流动模拟。近期我们将可压缩多流体5方程模型与颗粒追踪PIC方法相结合，发展了适用于从稀疏到稠密全流态可压缩多相流模拟的Compressible Multiphase Particle in Cell(CMP-PIC)方法，克服了传统颗粒轨道模型和双流体模型的难以实现可压缩跨流态多相流模拟的不足。进而我们研究了多相流效应对RM不稳性发展的影响，建立了多相流效应的RM扰动线性增长理论模型，与CMP-PIC方法数值模拟结果符合很好。
问：如何对界面失稳和湍流混合进行高精度、高分辨率的数值模拟一直是计算流体力学领域的难题，在这个研究过程中肯定充满了艰辛，请问您是如何克服这些研究中的困难的？是什么激发了您对该领域的兴趣？
答：界面失稳及其诱导的湍流混合在国防科技任务、天体物理等工程与自然科学领域有重要应用背景。我们所研究的界面失稳和混合问题由于具有强间断、多物理和高温高压等极端条件特征，如何对其进行高置信度的数值模拟是一个很有挑战性的问题。这里困难主要在于如何同时模拟好强间断和光滑小尺度流动。一方面激波、界面等强间断要求数值方法具有足够的数值粘性以保持稳定性，另一方面湍流小尺度结构要求数值粘性尽量小，二者几乎难以调和。为此，我们发展了一套具有自适应性质的混合型高精度格式，在光滑区采用低耗散高精度格式而在间断区采用健壮性好的具有TVD性质的数值格式，同时针对低速流动计算困难我们还发展了低马赫修正技术。针对物质界面处易产生数值振荡的问题，我们分析确认了非物理数值振荡产生的数值机理和两个来源，给出抑制振荡的数值离散原则。通过上述工作，我们实现了对界面失稳和湍流混合问题的高精度、高分辨率数值模拟。
有两个事情引起了我对这一问题的研究兴趣。大家知道，超新星爆发是非常重要的天体物理现象，和宇宙演化乃至生命起源都有密切关系，里面有很多机制问题还没有认识清楚，其中界面失稳和湍流混合是里面一个非常重要的现象。希望将来我们界面失稳和湍流混合研究能够有助于对超新星爆发现象的理解。另一方面，这一问题也是武器物理和惯性约束热核聚变（ICF）等国防科技领域的关键难点问题，国家对这一问题研究有着非常迫切的需求。
问：您对界面失稳和湍流混合的高精度数值模拟研究已经在武器物理研究等领域发挥了重要作用，能否请您展望一下这项研究在未来还能带来哪些深远的影响？
答：近几年我们研究团队发展了适用于极端条件多介质大变形流动和混合问题的高精度数值方法，通过高分辨率数值模拟深入研究了界面失稳和混合的演化机理，发展了预测能力提升的湍流混合工程模型和高置信度的数值模拟软件平台。后续我们还将持续从物理建模精密化程度和数值方法性能等提升我们的数值模拟能力，更好地服务于国家战略安全任务的需求。另一方面，极端条件下界面失稳和湍流混合也是目前理论演技的前沿和难点问题。由界面失稳诱导的湍流转捩和混合有着不同于通常湍流的显著特征，有学者提出了混合转捩的概念，因此，对这一问题的深入研究将有助于我们认识理解“湍流”这一经典难题。
问：湍流作为流体力学的一大难点，您认为对这种缺少突破但极具风险的研究还存在足够的空间吗？我们如何在纯理论思辨和现实目标中找到平衡？
答：这是一个比较实际的问题。我个人认为这一个研究还是有非常大的空间的。首先，航空航天、国防科技等许多行业对这一问题的研究有着非常大的需求，从应用基础研究角度来讲总是有空间的。湍流是一个很大的题目，个人觉得还是应从具体的问题着手，分别从基础理论、数值模拟和实验不同角度开展研究，根据自身的特点，总是可以找到平衡的。
问：能否请您根据自身的研究经历，对当代的研究生的工作提出一些建议？
答：我2004年博士毕业参加工作后，最主要的工作还是应用研究，或者说工程应用研究。偏基础的一点研究也是在完成主体任务后，通过提炼工程任务的科学问题而开展的。虽然我也带了两三个研究生，但对研究生的工作谈不上有什么经验建议。个人一点体会，首先，还是要根据自身特点，结合自己的兴趣和发展规划，选好平衡点。其次，选题很重要，问题有很多，哪个才是适合的问题，需要仔细考量。再一个，基础也很重要，研究生还是把专业基础打好，不要为了尽快发文章而把基础丢掉。
采访人：戴远帆
采访稿：陈品元
摄 影：陈品元
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