2021年3月19日15:00，由西安建筑科技大学力学技术研究院（IMT）开展的力学家访谈，在腾讯会议线上进行。本期访谈的嘉宾是北京大学航空航天工程系史一蓬教授。
线上访谈掠影
力学家访谈源于对力学家的致敬，希望以访谈的形式请他们分享自己的学术成果、科研心得、新思想，以此激励学生的科学研究激情。采访内容如下：
问：您在湍流领域约束大涡模拟中作出了开创性工作，杨卫院士在《中国力学60年》中也将基于物理约束的大涡模拟模型列为近十年流体力学四项主要成就中的第一项，您认为湍流大涡模拟理论的发展现在仍然面临着怎样的挑战？
答：
湍流的数值模拟主要有雷诺平均模拟（RANS）、大涡模拟（LES）、直接数值模拟（DNS），利用计算机对N-S方程进行直接数值模拟代价高昂，而雷诺平均模拟只能用于求解流动平均场，同时其方程存在不封闭项，建模比较困难，大涡模拟是利用滤波函数求解流动场，虽然大涡模拟所采用的方程也存在不封闭项，但其建模相对简单，普适性较高，同时能够获得许多有用的信息，所以大涡模拟是未来湍流模拟的主方向。大涡模拟主要存在两个困难：（1）难以模拟尺度很小的近壁湍流模型，在这一问题上，许多人做了大量工作，并取得了丰硕的成果，我们也通过约束大涡模拟模型解决了该问题；（2）大涡模拟存在间歇性问题，间歇性问题是指大涡模拟中存在一些小尺度很强的、小概率的脉动事件，例如污染物的扩散问题中，小尺度强涡容易引起局部污染物浓度升高，我们对于间歇性问题做了初步的研究，但是彻底解决大涡模拟的间歇性问题还有很长的路要走。
问：您认为现在湍流实验与湍流数值计算两者在湍流理论的研究过程中，各自有怎样的优势，同时有怎样的联系？
答：
实验与数值模拟均是湍流研究中非常重要的手段，两者即有各自的优点，也不能相互替代。由于直接求解N-S方程代价很高，所以需要在湍流研究过程中引入湍流模型，模型的合理性则需要通过实验进行最终检验。湍流的数值模拟的优点在于两个方面：（1）可以通过计算预测某些结果并进行工程设计；（2）利用数值模拟可以获得流场中所有的流动的信息，而在这方面湍流实由于技术手段的限制往往存在着局限性，实验仅仅可以精确测量如速度、某一点的压强等有限的流体物理量，很多流体力学数据无法测量，如密度、整个流场的压强等。对于直接数值模拟而言，大规模湍流模拟比较困难，例如飞机的设计不仅要进行数值模拟，还要做风洞实验，仅仅依靠数值模拟则不一定能把这类问题彻底解决。所以说实验和数值计算都是流体力学最重要的工具，二者缺一不可。
问：在未来的发展中，量子计算与人工智能、机器学习、大数据的结合，是一个很重要的潮流，您能简单介绍一下什么是量子计算？在湍流理论研究中，如果借助量子计算，会不会有新的突破？
答：
湍流问题往往计算量很大，利用传统计算机需要巨大的规模以及耗费大量的时间，量子计算机比传统计算机计算速度快的多；另外，量子计算机耗电量很大，我国的 “天河”计算机耗电量相当于一个工厂的耗电量，而量子计算机耗电很少，因此产生了用量子计算机计算湍流问题这一想法。
量子计算机分为两种，一种是通用量子计算机，其量子逻辑门和经典逻辑门在逻辑运算上是一样的，但量子逻辑门具有量子并行的特殊功能，这也是量子计算机比经典计算机运算速度快的原因，然而在计算湍流问题上，由于缺少一种能够使量子计算机算的更快的算法，使量子计算机不一定比传统计算机快。中国科大研究制作了具有76个量子bit “九章”通用量子计算机，而实际应用则需要几百个量子bit。硬件上的困难使得通用量子计算机现在无法做到大规模，算法上的困难使得通用量子计算机在流体力学上的应用不见得比经典计算机快。所以说通用量子计算机离我们还很遥远。第二种是量子退火计算机，较成熟的是已经投入市场应用的加拿大的D-Wave量子计算机，D-Wave利用退化算法求解优化问题（尤其是组合优化问题）的速度比传统计算机快，已经产生了一些利用量子退火算法在D-Wave上计算流体力学问题的算法，所以说，这方面的研究是值得关注的，但是其发展程度依然是个未知数。
就机器学习和大数据而言，主要集中在湍流建模，湍流模型有各种各样人为设计考虑的形式及参数，可以利用机器学习从已经做过的数值模拟、实验、书籍中提取数据学习出一些有效的湍流模型，至于像现在神经网络、大数据，特别是各种优化算法已经应用于湍流建模，这部分研究比较多的，相比量子计算也许会更加现实，同样更值得关注。
问：您能否结合自身的教学及科研经历，谈一谈什么是科研，如何做科研？
答：
科研主要是做别人没有做过的事情，要有自己的观点，自己创造的东西。
做科研，第一个是将别人的东西、已有的东西搞清楚、搞透彻，一旦把别人的东西搞清楚、搞透彻，就可能有一些新的想法，有好的想法不要放弃，勇于尝试，尝试一下就会有很多收获。在很多别人做过的科研工作中，我们冷静下来会发现很多别人没有想到的问题，能够想到一些别人没有想到的东西，自己的科研工作就可以获得一些收获。
做科研需要比较全面的知识基础，湍流的研究不仅要掌握流体力学知识，而且对数学、物理要求也很高，我本科和硕士都是力学专业，但是也学了很多数学并且攻读了数学博士学位，这对后来的科研有很大的帮助，我鼓励学生去数学学院或物理学院听一些研究生的数学和物理的课程，开阔眼界，做力学研究的人看看数学家、物理学家如何思考问题，看待问题，分析问题会对自己的科研有很大的帮助。
采访人：邵文琦
撰稿人：邵文琦
校对：刘哲
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