“力学家访谈”掠影
2019年10月18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。本期访谈的嘉宾是著名力学家北京大学李存标教授。IMT研究生和教师参与了本次访谈。
本次访谈，学生主要以湍流现象研究中的热点和难点问题为采访重点，同时结合李存标教授自身研究经历提出了一些问题。采访内容如下：
问：首先想请您谈谈气动加热的新原理相比于之前的原理对于高超边界层的分析有何突破？
答：
大家知道气动加热有几个主要的原因，一个原因是前缘的驻点加热，第二个是激波加热，第三个是由转捩引起的加热。由转捩引起的气动加热过去只认识到是由于摩擦加热，大家知道从层流变成湍流以后分子之间的相互作用加剧，可以产生很大的气动热。所谓气动加热新原理是指在高频的二次模态作用下压缩性效应明显，压缩膨胀会产生气动热。一般来说，压缩会加热，膨胀会减热，压缩膨胀如果等效，那么结果是既不加热也不减热。那么为什么在高超声速转捩边界层里会产生气动加热呢？就是因为二次模态使得压力产生高频变化，这种变化如果带来和被压缩的空气之间的相位变化，就会影响压缩效应和膨胀效应的比例。如果压缩效应占的比例大，就会发生气动加热，如果膨胀效应占的比例大，就会发生气动减热，这就是气动加热的新原理。这里面就有一个条件，就是压力和压缩性之间的相位要满足一定的条件才能产生气动加热或者气动减热。气动加热新原理的发现给我们带来了新的机会，如果我们改变相位，对二次模态进行有效的控制就会对气动加热进行抑制并推迟转捩，从而对高超声速飞行器的热防护带来重要影响。这里面还有一个曲折的故事，我们发现气动加热新原理时，写了一个短文给J. Fluid Mech.，评价还不错，但是被拒了。又改成长文也被拒了。改投PoF，第一次也被拒了，我后来说服了PoF的主编Jeffrey Giacomin，这是近年来流体力学的重要结果。我们2017年11月再投稿，2018年1月6号就发表了。发表后AIP Sci-light立即评论认为这对高超声速飞行器设计有决定性的重要性。我们写了长文：Newly Identified Principle for Aerodynamic Heating投J. Fluid Mech.，我们也写了一封信给编辑。说我们的某些美国同行，由于存在竞争，他们不适合审稿，文章很快接受发表了。奇怪的是，与我们建议不审稿的美国同行有关联的一个年轻学者写了一个短文，2017年11月寄给AIAA. J. ，2018年6月发表，题目是二次模态产生气动热。可见国际竞争是如此的激烈，又如此的不规范。
问：量子力学奠基人海森堡曾说“等他见上帝的时候，他要问上帝两件事，第一个是关于相对论，第二个是关于湍流，他只确定上帝有关于第一个问题的答案。”由此可见湍流的困难，而且论文发表难度也极大，所以我们希望了解，当时是什么支持您决定在湍流这条阻力极大的路上走下去的？
答：
我们选择转捩这个问题作为研究课题的时候是有风险的，但是好在当时的环境下，混沌理论取得了重大进展。当时在中关村地区大家情绪十分高涨，认为混沌理论可以解决湍流问题。我经过了非常深入的思考，并结合当时我自身的实际条件。我的理论功底并不是那么好，没办法解决N-S方程里面非常关键的非线性问题。当时的计算条件也不像现在这么好，很难揭示物理规律。最好的选择是实验，所以我就选择了实验来进行转捩问题的研究，没想到一上手就发现类孤立波。类孤立波是一种三维的、局部的波结构，这种波结构过去没有被报导过，大家都认为湍流起源于涡，比如二维的涡管，类孤立波是和传统的观点背道而驰的。我们发现以后就把结果送到IUTAM的稳定性国际会议上，当时就得到了国际上的重视,甚至J. T. Stuart在总结会议的时候第一句话就说中国人对转捩研究做出了贡献，这是对我们工作的肯定。但是在国内有非常不同的态度，国内有若干权威组织力学所和北航的老师进行讨论，并认为这一结果是不可能的。所以我们在发现这一规律的过程中遇到了很多曲折，好在有三个长者对我们的工作是支持的。第一个长者是我的老师连祺祥先生，他给了我自由做转捩及湍流问题研究的条件。因为这种结构在流动显示上是演化的，所以我就去天津大学拜访了舒玮先生，舒玮先生认为这是一个真正的结构，这样就增加了我的信心。更重要的一个人是上一代我们国家湍流研究的权威，中国科协副主席庄逢甘院士。庄逢甘院士在评价我的工作的时候用了三个“开创性的工作”。这就使得我们在发现类孤立波的道路上走得更加坚定，在我还比较年轻没有学术地位的情况下给予了很大的鼓舞。之后关于这个问题的结果陆续在国际期刊上发表，也得到了国际上的承认。有一件事我觉得值得说的就是年轻一代在选题的时候选这种题目会面临很大的风险，也很难做出来，所以我现在让学生选题的时候也不选这么难的题目。这个工作逐渐被承认的过程还是非常曲折的，之前有现成的基于Theodorsen二维涡管假设的理论，产生Lambda涡，发卡涡然后变成湍流，还有就是以Kachanov为代表的三波共振理论。但当时没有解决的核心问题是：转捩和湍流到底是不是一回事? 有一个gap没有接通，就是说湍流里面讲湍流的故事，转捩里面讲转捩的故事，这里面到底有没有内在的联系?有人讲过这方面的工作，比如说南加州大学的Blackwelder,还有其他一些学者如Kachanov，都谈到过湍流和转捩问题存在相似性。但是这种相似性的核心本质是什么一直没有做清楚。后来我们在周明德先生的帮助下发现了猝发是类孤立波的行为，这样类孤立波作为基本的转捩和湍流边界层的结构就被揭示出来。2008年应邀在Applied Mech. Rev.写了一篇评论，从根本上揭示了湍流边界层和转捩边界层在动力学上的相似性，外国学者认为是转捩经典之一,并认为其是经典中把转捩动力学讲得最清楚的。最近我的学生江贤洋用三维PIV进一步证实低速条带是类孤立波组成的。用三维PIV可以捕捉随机产生的猝发现象以研究猝发的行为，进而发现它是一种波的行为。我们对湍流的理解实现了从基于涡运动到基于波运动的转变，最近Physics of Fluids 约我写了一篇长篇文章对这些工作做了总结。
问：描述湍流的纳维-斯托克斯诞方程生于19世纪，可至今没有数学工具可以解出这个方程，于是科学家们通过设计一些特殊条件下的近似模型来研究湍流形态，那么请问既然湍流是混沌的，用计算机进行湍流模拟究竟可以模拟到什么程度？如果未来计算机足够强力的话，湍流是否不再是一个问题？
答：
首先，我不是做湍流研究的，只是做转捩及湍流产生研究的。大部分人相信湍流是可以用Navier-Stokes方程来表述的。“相信”并不是“科学”，但也不是完全没有依据。N-S方程的直接数值模拟可以描述大多数流动，有时还是很准确的，和实验能对得上。比如说我自己原来是做实验的，最近我的学生们做一些DNS，特别是在高超声速转捩这样复杂的问题上，DNS都可以和实验对得上。这说明N-S方程数值解在很大程度上可以描述湍流产生。这表明N-S方程在很大程度上有可能描述湍流。但是N-S方程的数值解不是N-S方程本身，N-S方程本身能不能描述湍流现在在世界上仍然是一个难题，也就是克雷数学研究所选定的“世界七大数学难题”之一。N-S方程能不能描述湍流主要在于这个非线性方程解的存在性和唯一性。目前N-S方程只有小条件下找到了解，或者是在二维等特殊情况下解可以确定存在唯一性，但是期待数学家们有重要的进展，来确定N-S方程能不能描述湍流。我个人的观点是即使N-S方程能描述湍流，但是湍流是一个现象，湍流本身不是一个独立的科学问题，而是普遍复杂现象的综合性行为。比如说在稀薄气体里面，有可能有湍流这一现象，但是N-S方程是建立在连续介质假设之上的，这个时候已经不是连续介质，显然N-S方程是不能描述这一现象的。所以N-S方程能不能描述湍流这个问题有可能是伪命题。因为湍流本身是没有定义的，是一个复杂的，多现象的综合过程，没有深刻的物理和数学上的定义。很难把N-S方程这样有确定性的数学规律和湍流这样的复杂现象对应起来。如果说我们解决了N-S方程的问题就一定解决了湍流本身，这可能还需要重新考虑或者重新规范，不然这两个问题就永远走不到一起。
问：由于知识、能力的不足，很多研究生在选择课题方面出现盲从、冒进等现象，请问您对研究生选择课题有哪些方面的建议？
答：
关于如何选题，我上面讲在中关村做湍流问题的时候已经稍微提到了。选题主要有两个关键点，一个是选择什么样的问题，另一个是根据自身条件和能力选择什么样的方法来解决这个问题。这两个是相辅相成非常重要的事情，如果你的能力在实验方面，那么选择理论或者计算问题可能就是不合适的。如果你的能力在理论方面，那么选择实验问题也比较不容易出成果。这在杨振宁早期的生涯里面就有所体现，他做实验就经常在实验室里面制造爆炸，这就是非常好的例子告诉大家要以己之长攻科学问题之短，这样的话才能有所成就。选择什么样的问题也很重要，许多人讲正确选择一个问题相当于解决了一个问题的一半，这是有一定道理的。我们现在往往选题有很大的盲目性，一个问题就是说选择了很难的题。很难的题很多情况下在短时间内不好解决，和你本身知识储备、能力限制以及环境的影响都有关系。还有一种情况就是选择简单的题，人家已经做过的题，这个更糟糕，所谓嚼别人嚼过的馍，这实际上是很没有意思的。尤其是在目前我个人认为的第二次向科学进军的热潮中，选题是非常审慎和重要的。我的原则是选择一个简单又没有解决的问题对博士论文来说是很合适的，选择一个难的复杂的问题是很难做到的，选择一个简单可以解决的问题就很重要。这里有几个捷径，第一，可以选择在重要的问题上去做。因为重要的问题在国际上比较明确，有哪些问题解决了，有哪些问题没有解决，如果能解决其中一部分或者一个小问题，那么在方向性上就是正确的。第二个方面就是选择一个大家不太做或者不太关心的领域，往往会出大的成果。一种是选择热门的，一种是选择冷门的。选择相对冷门的话前提条件就是及时了解国际上的进展，把国际上相关结果搞清楚。不然做了半天是别人已经发表的结果，就会非常沮丧。最核心的问题实际上我没有回答，就是如何选题。实际上如何选题是一个非常不容易回答的问题，比如我自己的学生，一般情况下我会有三种方式。一种是做自己想做的，这实际上是最高的要求。我年轻的时候，当时我的老师给我自由让我做自己想做的。但是这是不可以提倡的，一般情况下在一个课题组里面只有百分之十的学生能达到这种能力。我在实验室有过这种经历，有过这样的教训。曾经在带前两个学生的时候有个学生说想做自己的事，但是三年以后没有做成。后来我慢慢引导，做了一个他想做，也能做，但是是我给他出的题目。至今为止在我的实验室还没有成功的自己选题自己能做出来的情况。这是比较难的，也是最高的境界。第二种情况就是说，学生选择自己感兴趣的方向，导师帮助选择一个合适的问题。这是比较常规的方法，在实验室过去的时间里占到了很大的比例。这样的话学生想做的方向和老师对问题的理解相结合，能避免上面说过的两种问题，一个是问题太难做不动，一个是别人已经做过了。对于能力一般的学生的话我的建议是做导师想让你做的问题，这样能保证你完成基本的科学研究任务。
大多数的人都认为湍流是不规则的且无规律的，可却如李存标教授说的那样，“相信”不是“科学”，实验能证明的方是真理，最后实验证明湍流就是规则的，以前的专家们在这个问题上确实错了。对于研究生来说，这种思想是很重要的，从“好”的研究做起，然后在其中找到“不好”的细节，这就是一个新的研究方向，在有能力的基础上深入研究，往往会取得比较大的成果。
采访人：李 翔
采访稿：戴远帆
摄 影：刘轩廷
陈品元
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