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(lián)網(wǎng)
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(lián)函數(shù)與三元關聯(lián)函數(shù)的方程,并進而提出四元函數(shù)與二元函數(shù)相互聯(lián)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?？聽柲缏宸螂m也曾建議過對于湍流小尺度進行參數(shù)化,但并沒有繼續(xù)下去。可惜周先生的方法出現(xiàn)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(lián)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(lián)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(jié)束后,周先生攜家眷回到清華大學。周先生對于將現(xiàn)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(xiàn)代力學學科的創(chuàng)立者。
1952年,周先生50歲時轉(zhuǎn)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(zhì)的專家。實際上,周先生個人培養(yǎng)了難以數(shù)計,遍及天下的學生,并一直工作到90歲。他數(shù)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(xiàn)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(nèi)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(lián)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(jié),最初是從天體運動開始的。 當時,天文學、數(shù)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(xiàn)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(jīng)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(zhì)宏觀運動和微觀運動的關系
我們首先要解決的是物質(zhì)的宏觀運動和微觀運動的關系。
在經(jīng)典物理中,力學是關于物質(zhì)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(jù)牛頓運動規(guī)律的運動是機械運動,一直到現(xiàn)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(jié)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(xiàn)了生物力學,它將為力學和農(nóng)業(yè)及醫(yī)學建立越來越緊密的聯(lián)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(zhì)宏觀運動范圍內(nèi)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(zhì)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(jié)構,屬于物質(zhì)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(zhì)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(chǎn)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(jié),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(zhì),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(shù)學原理》
牛頓在《自然哲學的數(shù)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(cè)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(jié)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(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(diào)動應用力學工作研究的積極性。
現(xiàn)在,很多產(chǎn)業(yè)部門已經(jīng)開始從單純按產(chǎn)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(xiàn)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(zhì)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(xiàn)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(zhì)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(xiàn)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(xiàn)象。
近年來,在國內(nèi)外陸續(xù)出現(xiàn)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(jīng)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(xiàn),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(xiàn)象,還必須能夠解釋舊理論所不能解釋的現(xiàn)象。同時,新理論必須預見到尚未出現(xiàn)的現(xiàn)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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