大风中的飞沙走石、江河中的险滩急流、火山喷发的熔岩巨龙、大气中的乱云飞渡、星系中的黑洞喷流、浩瀚宇宙中的星际穿梭、热核聚变中的等离子体流……这些都是在自然界和工程领域广泛存在的多尺度非平衡流动现象。
作为一个困扰科学界数百年的难题，复杂流动现象背后的机理至今仍未被攻克，其中湍流更是被美国物理学家费曼称为“经典物理学中最后一个尚未解决的重要问题”。而在破解神秘流动谜题的道路上，一群科学家留下了自己的名字——奥斯本·雷诺、路德维希·玻尔兹曼、伊利亚·普里高津、冯·卡门、钱学森、周培源、王承书……
如今，解决这一世纪难题的接力棒交到了当代科学家手中。中国科协发布的2024十大前沿科学问题中，由中国力学学会推荐的“多尺度非平衡流动的输运机理”位列其中。这一问题当前研究进展如何？未来如何突破？科技日报记者就此采访了相关专家学者。
常规流体力学无法解释
从微观角度来看，流动的本质是分子的运动与相互作用。然而，巨量分子运动与碰撞的系统效应在宏观上表现出多尺度、非平衡特征，形成复杂的流动结构。尤其是稀薄气体和湍流，存在着显著非平衡流动现象。
“多尺度非平衡流动的输运机理是一个十分具有挑战性的前沿基础科学难题。”该问题提出者、香港科技大学数学系主任、冠名教授徐昆接受记者采访时说，这类流动系统非常复杂，涉及不同空间尺度、不同时间尺度和流动的非平衡。现有的经典理论和模型在处理非平衡效应时存在局限性，需要建立更加基础和统一的理论框架来描述和预测这类复杂流动。
因其复杂，多尺度非平衡流动经常给人一种神秘的感觉；因其难解，这种流动又平添了一种莫测的色彩。
“这类流动之所以让人感到神秘莫测，是因为它的复杂性、多样性和挑战性。”西北工业大学航空学院教授钟诚文告诉记者，它的流动结构极其复杂，存在形式极其多样，精准预测极具挑战。
“在极高速、极高温、微纳尺度等极端条件下，存在着强烈的多尺度非平衡流动现象，且存在多物理化学场耦合，这时常规的流体力学理论已不再适用，亟须建立新的理论和模型。”中国科学院力学研究所研究员张勇豪向记者解释，这一前沿科学问题并不仅限于流体力学范畴，还涉及数学、物理、化学、材料等诸多学科。
徐昆认为，对这一问题的探索应聚焦多尺度非平衡流动“是什么”“为什么”“有什么”这三大问题，即多尺度非平衡流动的具体表现特征、形成和演化机制，以及不同流动产生非平衡的机理是否具有共性。
应用场景涵盖诸多领域
中国力学学会的推荐词写道：开展稀薄气体、湍流等多尺度非平衡流动现象研究，探索非平衡流动输运机制，建立气体分子或流体微团间相互作用与宏观流动特性的联系，能够增强对复杂非平衡流动形成机理的认识，为航空航天关键技术奠定理论基础。
飞得更高、更快、更远、更稳是人类不懈的追求。从莱特兄弟首次实现动力飞行拉开人类翱翔天空的大幕，到嫦娥六号实现人类首次月球背面采样返回，航空航天发展的每一步都与力学、数学等基础科学研究密切相关。
“航空航天领域是多尺度非平衡流动问题研究的一大典型应用场景。”中国科学院大学工程科学学院教授王智慧说，当前，新型空天飞行器研发方兴未艾。对多尺度非平衡流动问题的深入研究，有助于设计出更先进的空天飞机、更高级的宇宙飞船、更精准的再入飞行器。
对这一前沿科学问题的研究，不仅在航空航天领域至关重要，在一些关系国计民生的工业场景中也有迫切现实需求。“它在物理上非常深刻、在数学上非常有难度、在工程上非常重要。”南方科技大学力学与航空航天工程系副教授吴雷说，核物理领域也是多尺度非平衡流动问题研究极其重要的应用场景之一，惯性约束核聚变过程就与这一问题密切相关，其存在湍流、稀薄流和非平衡辐射相互作用的场景，亟须发展新模型和新方法。
“小至微纳制造，大至深空探测，都需要对多尺度非平衡流动问题进行更深入探索。”徐昆说，在微机电系统、天体物理、环境等众多领域，这一问题研究的突破可为相关应用场景提供理论基础和设计指导，推动工程应用与技术创新。
理论计算实验缺一不可
当前，对多尺度非平衡流动问题的研究主要包含三个方面：理论分析和建模、数值模拟、实验测试和分析。
近年来，我国科学家在这些领域作出不少实质性贡献，提出和发展了统一气体动理学格式、非平衡相变流动的分子动理学模型、多尺度流动的高性能算法、受限空间非平衡输运理论、高温非平衡流动的模型理论、高焓和稀薄流动风洞测试技术等。
“从事科学研究，就是要探索前沿未知领域的科学问题，特别是位于源头的基础科学问题。”张勇豪期待，未来能吸引更多优秀人才投身多尺度非平衡流动的输运机理这一前沿科学问题的研究中。
“科研人员在注重原始创新的同时，也应重视从航空航天等行业重大工程实践中提炼科学问题，开展反向基础研究。”钟诚文建议，科学研究应鼓励创新，宽容失败，推进产学研深度融合。
《国家自然科学基金“十四五”发展规划》已将高速流动的理论、方法与控制列为优先发展领域，提出面向航空、航天、航海等领域高速流动中力—热—声的多物理过程、多尺度结构的非平衡态湍流等复杂流动，重点研究流动中多因素耦合作用机制，计算模型的建立与复杂现象的复现，湍流多尺度结构演化机理、时空关联理论和模型，高精度计算方法和实验测量技术等。
吴雷认为，多尺度非平衡流动是一个高度复杂且具有广泛应用前景的研究方向，需要科研人员携手努力，在理论和应用上取得更大突破。
“理论、计算和实验是科学研究的‘三驾马车’，缺一不可。”王智慧说，对多尺度非平衡流动输运机理问题的探索，需要在这三方面协同推进，并注重多学科交叉研究。
“高精尖工程技术领域的重大迫切需求、人工智能等新一代信息技术的飞速发展，为这一前沿科学问题的解决带来前所未有的机遇。”徐昆说，期待学界通过不断探索新思路、理论、模型和方法，更深入理解多尺度非平衡流动现象背后的输运机理，推动相关领域的科技进步和工程应用。
随着这一前沿科学问题研究取得突破，坐飞舟旅行、向火星移民等梦想或将进一步照进现实。（记者李林旭）
原标题：挑战复杂流动世纪难题——“聚焦前沿科学问题”系列报道之五