传播者说 | 为生活服务的流体力学
原创 石音
说到流体力学，多数人脑海中浮现出的场景或许都是各种物理公式和晦涩难懂的物理知识，其实，每一门科学说到底都是为人们的发展与需求服务的，流体力学也不例外。
2021年，碳达峰和碳中和首次被写入政府工作报告中，力争到2030年二氧化碳排放量达到峰值，到2060年实现碳中和。北京航空航天大学流体力学研究所所长潘翀在2021年北京地区广受关注学术成果报告会（力学领域）上说：“我国是一个负责任的国家，这一目标体现了我国经济社会发展全面绿色转型的内在要求，要依托科学才能实现这一目标。我们所研究的力学科学也能贡献出一份力量。”
力学可以为碳减排做什么
近几年来极端天气越来越多，飓风异常活跃、冰川加速融化、森林打火频发、极端暴雨频仍，这些极端天气的背后也都与流体力学或固体力学有着紧密的关系。为什么极端天气的发生与力学有关系？潘翀说：“运载工具的能源消耗主要用来克服运载工具表面与空气发生高速相对运动产生的流动阻力，如果这个力能够减少，那么机械做功就可以减少，从而碳排放就可以减少，从而给实现双碳目标贡献力量。”
飞机就是一个很好的例子。C919飞机是我国首款完全按照国际先进适航标准研制的单通道大型干线客机，与目前运营的同级别的飞机相比，其飞行阻力减小了5%，油耗降低了15%以上，氮氧化物排放比国际民航组织规定的要求低50%。这款大飞机不仅在材料应用与设计上采用了更为轻便的高科技材料，而且减阻也发挥了不可替代的作用。
飞机的发动机每加入1公斤原料，就会排放3.16公斤的二氧化碳，发动机的作用就是克服阻力产生推力的。根据研究统计，飞机77%的碳排放出现在巡航状态，飞机表面受到的阻力中，占比最大的是摩擦阻力，占到50%。因此，减少摩擦阻力是减少碳排放首先要考虑的因素。
“运载工具高摩擦阻力的主要来源是绕流边界层从层流转变为湍流的过程，层流空气的流动方向是规则有序的，而湍流是杂乱无章的，所以，湍流产生的摩擦阻力远高于层流。我们研究湍流，未来要达到的目标是在C919这样的大型客机上，机翼表面的边界层绕流全部变成层流，从而减少摩擦力。”潘翀说。
精益求精 让实验数据更准确
湍流是不规律的，其边界层包含多尺度流动结构，解释的通俗一些就是流动“路线”非常混乱，有大有小、有远有近，动量的亏损就体现在地面上摩擦力的产生。
潘翀在报告中提道，从理论层面来说，湍流的研究需要在时空场中进行，它将表现出一种瞬时的、非均衡的行为；而如果用统计学研究，把湍流用数据的方式表现在坐标系中，就可以成为一种均衡研究。“如果把两种方式结合起来就可以形成一种新的研究方法，既可以用非均衡的方法研究，也可以用统计学的方法来研究，这也是我们学术科学思想的初衷。”
湍流边界层，如果用统计学的方法来观察会发现，它是由一个个形似马蹄状的结构组合而成的，因此，湍流边界层的统计平均涡结构被称为类马蹄涡结构，科学家研究出了几何尺度的雷诺数标度规律，后期更便于对这种马蹄涡结构的动力学特性做一些理论上的建模研究。
物理研究离不开实验。在研究过程中，如何精确测量地面上的摩擦阻力呢？传统方法是在地面贴传感器，但这并不是最优选择。潘翀说：“传感器是有自身高度的，边界层对地面的粗糙度非常敏感，容易受此影响而产生测量偏差。而且，一般这种地面传感器是通过测量热对流的换热率来间接估算的，如果贴在地上，就不可避免地会把热量传导至地面一部分，导致测量出的摩擦阻力偏小。我们设计出了一个非接触的测量方法，从而获得更准确的数据。”
力学减阻技术已在货机实现初步应用
湍流研究并不容易，研究者们要通过计算、实验与实际状况相结合的方式对其进行系统研究。潘翀所在的北京航空航天大学对湍流的研究主要以实验为主，他说：“通过这些研究和实验，我们设计出了针对湍流结构的减阻控制设备，并在飞艇上完成了实验，可以有效实现减阻的目的。我们还研究出了斜置沟槽控制技术来减阻，通过诱导流动大尺度旋涡对外区流动施加影响。但是这一技术的减阻能力非常有限，于是我们探索了用等离子体加沟槽膜减阻，目前正在与中国商飞合作做后续研究。”
这些专业的知识听起来让人感觉陌生，但如果说起游泳冠军菲尔普斯，大多数人都耳熟能详。他之所以能够取得如此优秀的成绩，除了自身高超的技巧之外，菲尔普斯当时参赛所穿的鲨鱼皮泳衣也起到了非常关键的作用。而这件泳衣所使用的就是沟槽壁减阻技术。潘翀说：“学术界早已针对这项技术的应用开展了研究，直到今年上半年，我得知德国汉莎航空将这项技术用在了货机运输上，能够减少1%的阻力，如果换算成经济效益，一年可以节省30万人民币。”
可见，一门新的技术从实验室走向实际应用要经历漫长的过程，通过一代又一代科学家的研究与发现，才能把这一项技术逐渐发展与拓展，最终实现服务人类。
由北京市科学技术协会主办的2021年北京地区广受关注学术成果报告会（力学领域）旨在围绕北京"十四五"规划和2035远景目标，遴选北京学者在国内外期刊上发表的热点、前沿、有重大科研进展的广受关注学术成果，以专场学术交流报告会的形式为北京国际科技创新中心建设凝聚优秀科技工作者、发掘原始创新成果。
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- 作者信息 -
石音 资深科普记者，中国科普作家协会会员，有多年一线采访经验，关注能够改变生活的科技成果。
