搜索周培源 - Fluent湍流模擬之父
2017-07-11 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
周培源 (1902-1993)
周培源,著名流體力學家,理論物理學家,教育家和社會活動家,中國近代力學奠基人和理論物理奠基人之一。由于他在1940年對于湍流研究的奠基性工作,被尊為“湍流模擬之父”。
周先生在發(fā)表于“中國物理學報 4,1 (1940)pp1-33”的一篇開創(chuàng)性文章中,他引入了湍流脈動速度二元關聯函數與三元關聯函數的方程,并進而提出四元函數與二元函數相互聯系的模型。此方法后來也于1945和1947年發(fā)表在國際文獻的三篇文章中。
它與米林斯奇科夫稍后提出的方法略有不同。周先生使用了一個渦量擬能的方程為湍流場提供了一個時間尺度。柯爾莫哥洛夫雖也曾建議過對于湍流小尺度進行參數化,但并沒有繼續(xù)下去。可惜周先生的方法出現于計算機普及之前;當時人工計算的能力也是相當有限的。但沒有疑問的是,今天世界上成百上千的忙于建立為CFD代碼所用的湍流模型的學者們,從1940年的這項工作之后,都視周先生為鼻祖。
個人介紹
周先生于1926年獲得芝加哥大學的學士與碩士學位,于1928年在E.T. Bell的指導下由于對廣義相對論的研究獲得加州理工學院的博士學位。他是從加州理工畢業(yè)的第一名中國博士生。
1928年秋季,在萊比錫開始博士后研究。次年春天,周先生加入他所在的蘇黎世聯邦理工學院,并在量子力學方面繼續(xù)博士后研究。
在1929年秋天回國,并成為清華大學最年輕的教授,年僅27歲。由于他是唯一一名理論物理學家,因此所有關于理論物理的課都由他來教授。
在1938至1947年的戰(zhàn)爭期間,他在西南聯合大學任物理學教授。
周先生于1936-1937年參加了愛因斯坦的研討會。
在1943至1947年期間,周先生利用第二次學術休假來到了加州理工學院。他與美國科學研究辦公室,國家安全研究委員會,海軍武器實驗基地都有過合作,對于飛機發(fā)射魚雷的問題進行了研究。
戰(zhàn)爭結束后,周先生攜家眷回到清華大學。周先生對于將現代物理學引入中國有著巨大的貢獻(同更老一輩的三四名物理學家一起)。他也是中國現代力學學科的創(chuàng)立者。
1952年,周先生50歲時轉入北京大學。他先后出任教務長,副校長,最終于1976年成為校長。在北大,他負責力學學科的建設,創(chuàng)建了中國最早的力學基地,并為中國培養(yǎng)了大批一流素質的專家。實際上,周先生個人培養(yǎng)了難以數計,遍及天下的學生,并一直工作到90歲。他數次當選中國科學院副主席,以及中國科學技術協(xié)會主席。他也是中國物理學會主席,中國理論與應用力學學會副主席。
周先生作為唯一的中國代表參加了1957年在加拿大召開的帕格沃什科學和世界事務會議,并且直至去世仍是帕格沃什會議的成員。
1946年在巴黎,他被選為國際理論與應用力學會議 (ICTAM) 委員,以及新成立的國際理論與應用力學協(xié)會 (IUTAM) 委員。
1978年,周先生受美國政府之邀帶領中國教育代表團訪美,這甚至是在中美建交之前。這次訪問的目的是就兩國間學者交流計劃進行協(xié)商。周先生創(chuàng)造了“訪問學者”這個頭銜,這成為了交換計劃得以成功建立的關鍵因素。中美之間的這項學者交流計劃也持續(xù)到了今天。
周先生是亞洲流體力學會議的創(chuàng)建者之一,這在現在成為了亞太地區(qū)流體力學學者研討學術的一個有效的論壇。
1980年,普林斯頓大學授予他榮譽博士學位。
1982年,他獲得中國自然科學獎。
1980年和1985年,他先后兩次獲得加州理工學院杰出校友獎章,他也是唯一一個兩次獲得這項榮譽的加州理工校友。
在周先生的職業(yè)生涯開始時,由于漢語的復雜帶來的輸入,打印以及計算和電子交流的困難,使得中國的科學研究大為滯后。正是周先生看到了計算機化編輯和激光打印設備對漢字的重要性,并給予了相關研究團隊最初期的強有力的支持。這個團隊由北京大學的王選教授領導,周先生的幫助為他們的成功鋪平了道路 – 這項工作為中國今天的打印工業(yè)帶來了革命性的變化。
在這個時代至少有四位流體力學的巨人,分別來自四個國家。他們以自己的方式在國內外都享有崇高的聲譽,這不僅是因為他們在流體力學領域的建樹,也是由于他們卓越的領導能力和對于知識的傳承。在他們各自的國家里,大量優(yōu)秀的流體力學工作者都可以追根溯源到這個偉大的鼻祖。這樣的人在我心中有美國的馮卡門,蘇聯的柯爾莫哥洛夫,英國的泰勒 (GI Taylor) 和中國的周培源。
下面讓我們跟隨周先生的腳步,一起去看看他所理解的力學。
一六八六年,牛頓對力學的總結,最初是從天體運動開始的。 當時,天文學、數學和力學是自然科學中僅有的三個成熟的伙伴,它們互相滲透,互相促進。
海王星
海王星的發(fā)現是牛頓力學科學預見的光輝范例,牛頓力學的發(fā)展為大工業(yè)準備了基礎,也對物理學其他分支的發(fā)展起過巨大的推動作用。
牛頓力學的驚人成就,甚至影響了人們的世界觀。
當人們克服了機械唯物論思想,繼續(xù)前進的時候,力學并沒有消失,只是采取了新的思想,取得了新的形式。甚至,經典力學本身的力量也依然在到處發(fā)揮著作用。
那么,在力學本身力量的作用下,各個力學運動之間的關系是什么樣的呢?
1、物質宏觀運動和微觀運動的關系
我們首先要解決的是物質的宏觀運動和微觀運動的關系。
在經典物理中,力學是關于物質宏觀運動規(guī)律的科學,力學的運動規(guī)律是牛頓的運動規(guī)律。
依據牛頓運動規(guī)律的運動是機械運動,一直到現在,力學在工程方面的應用越發(fā)深入,在絕大部分的工程( 包括建筑、水利、交通、機械、采礦、冶金、化工、石油、軍事、空間工程) 中,處處都需要力學。工程向力學提出了層出不窮的問題,力學也不斷以新的成果,深刻地改變著工程設計的思想。
近年來,力學又在認識自然方面,恢復和擴大了過去的老傳統(tǒng)。
力學工作者投身到宇宙論、天體演化、星系結構、天體爆炸、太陽風、行星磁場等研究,也投身到大氣、洋流、海浪、地殼運動、地幔對流等的研究,隨之還出現了生物力學,它將為力學和農業(yè)及醫(yī)學建立越來越緊密的聯系。
可以這樣說,近代力學的發(fā)展,已深入到自然科學的許多領域。
力學在物質宏觀運動范圍內所處理的問題,之所以這樣的廣泛,是因為力學是研究自然界中最基本、最簡單的運動形式,也就是位置移動。
從這個意義上來說,大尺度宇宙空間的天體運動,也包含位置的移動。狹義或廣義相對論力學所處理的物質宏觀運動問題,也是力學所處理的問題。
分子、原子的運動與結構,屬于物質的微觀運動,它們的規(guī)律為量子力學和量子電動力學。
這些規(guī)律是從力學和電動力學的規(guī)律上分別發(fā)展出來的,但又不同于力學的規(guī)律。這是由于物質的微觀運動已不是單純的位移,而具有了新的形式,如:從一個穩(wěn)定態(tài)躍遷到另一個穩(wěn)定態(tài)。
2、基礎研究和應用研究的關系
說起基礎研究和應用研究的關系,那就要先從力學研究和其他一切科學研究所共有的認識過程說起。
我們都知道,科學研究都有一個從特殊到一般,從一般到特殊的往復循環(huán)的認識過程,具體到力學上,就是生產實踐和科學實驗( 觀察) 提出具體問題,對之研究、概括、提高、總結,成為力學的基礎理論。之后將基礎理論應用到尚未研究過的具體問題,找出它的特殊本質,借以補充、豐富和發(fā)展出共同性的力學原理。
自古以來,力學研究就有基礎研究和應用研究兩條途徑。
牛頓的《自然哲學的數學原理》
牛頓在《自然哲學的數學原理》序言中談到:古人用兩種方法演述力學,其一是純理的,用論證精確地推進;其一是實用的,一切技術方面的事情都屬于后者,力學這個名稱也由此得來。我們的革命導師馬克思把力學叫做“大工業(yè)的真正科學的基礎”,而另一位革命導師恩格斯則把力學叫做“最基本的自然科學”。他們從不同的側面來說明力學的地位和作用。
從力學長期發(fā)展的歷史來看,我們可以得出這樣一個初步的結論,就是力學具有很強的基礎性,又有極為廣泛的應用性,兩者相輔相成,互相促進,所以, 力學既是基礎科學,又是應用科學。這和數學、物理學、化學、生物學等門科學,并沒有什么兩樣的地方。
因此,我們既要充分重視力學的基礎研究,又要十分注意力學的廣泛應用。如果我們不重視基礎研究,我們只能亦步亦趨,永遠談不上趕超。
我們一方面要注意抓住四個現代化所需要解決的重大的關鍵性的力學問題,重點安排力量,充分利用現代化的計算工具和實驗手段,多快好省地加以解決。另一方面要妥善做出全面安排,廣泛調動應用力學工作研究的積極性。
現在,很多產業(yè)部門已經開始從單純按產品組織科研,進而重視同時按學科組織應用基礎的研究。因而工程力學得到很大的重視,這是十分可喜的現象。只有力學的應用研究壯大了,力學的基礎研究才能上得去。
3、新老學科的關系
在力學領域中,有幾個歷史悠久的傳統(tǒng)學科,如質點和剛體力學,流體力學,固體力學和土力學等。
近年來,國外在這些學科中,不論是理論、方法、現象方面都不斷有所突破,例如:立波理論、失穩(wěn)分岔理論、有限元法、斷裂力學、剪切湍流、變形體熱力學、彈黏性介質中的記憶衰退理論等。
我國在這些方面需要向縱深發(fā)展,擴大戰(zhàn)果,要繼續(xù)發(fā)現新的突破口,要決心去攻克難關,要避免目前的“淺水區(qū)擁擠不堪,深水區(qū)無人問津”的現象。
近年來,在國內外陸續(xù)出現一些新興學科,如巖體力學,地球力學,物理力學,等離子體動力學,宇宙氣體動力學,化學流體力學,爆炸力學,生物力學,理性力學等等。
這些學科多半是和其他學科相互滲透建立起來的,它們的崛起,好像雨后春筍,有旺盛的生命力。這些學科又像未開墾的處女地一樣,到處有吸引人的前景,老學科有責任來扶植新學科。新學科領域里的同志要學習老學科的經驗和我們所不熟悉的相鄰學科的知識,新學科中的新發(fā)現,有可能反過來促進老學科的突破。
4、理論和實驗的關系
理論必須以實驗為基礎,實驗必須有理論作指導。一個新理論,必須能夠解釋舊理論能解釋的現象,還必須能夠解釋舊理論所不能解釋的現象。同時,新理論必須預見到尚未出現的現象,并通過科學實驗的實踐得到證實。
因此,理論工作是離不開實驗的,實驗是理論的前提,科學實驗的實踐,又是檢驗理論是否正確的唯一標準。
然而,在我國目前的力學工作中,實驗研究沒有得到應有的重視,特別是實驗研究工作中技術系統(tǒng)的建立沒有受到重視,必須認真地加以解決。
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