紊流（turbulent flow，亦常稱為湍流）是自然界常見的流動形態(tài)，是流體力學(xué)界的重要研究領(lǐng)域。紊流運(yùn)動是非常不規(guī)則的神奇流動，紊流混沌理論的蝴蝶效應(yīng)造成了天氣的風(fēng)云變幻。
在計算技術(shù)迅速發(fā)展的今天，用數(shù)值方法預(yù)測紊流、控制紊流，有重要的科學(xué)意義和實用價值。作者從事紊流數(shù)值計算方法研究已約20年，研究內(nèi)容包括應(yīng)用最普及的雷諾方程數(shù)值求解（Reynolds averaged Navier-Stokes equatians，RANS）法、最優(yōu)的大渦模擬（large eddy simulation，LES）法、最普適的直接數(shù)值模擬（direct numerical simulation，DNS）法；重點研究了粗網(wǎng)格下用DNS 法解高雷諾數(shù)復(fù)雜紊流，以及紊流不對稱特性數(shù)值試驗等。
紊流數(shù)值模擬研究
作為紊流數(shù)學(xué)模型研究者，當(dāng)前應(yīng)該把注意力放在何方，這是作者一直思考的問題。DNS是最普適的方法，但Kolmogorov的微尺度理論又阻礙了DNS的發(fā)展。作者認(rèn)識到，Kolmogorov的微尺度理論僅是對能譜曲線高頻段理論和試驗的概括，能譜曲線高頻段處能量占總體能量的比例極小，為什么沒有人突破微尺度理論，做一下嘗試呢？
作者早在2010年就開始嘗試對DNS方法進(jìn)行研究，提出了以大渦控制的復(fù)雜紊流可以放棄微尺度η 的觀點；對雷諾數(shù)為44 000的二維跌坎紊流做了模擬計算，取得了較為滿意的結(jié)果。此后，作者圍繞DNS方法做了一系列研究工作，不斷探索和改進(jìn)高雷諾數(shù)紊流N-S方程求解的方法。
雖然可在粗網(wǎng)格下用DNS計算，但由于高雷諾數(shù)下N-S方程的對流項占主導(dǎo)地位，而且是紊流產(chǎn)生的根源，如何提高對流的計算精度十分重要。作者提出了擬協(xié)調(diào)單元和協(xié)調(diào)單元解法，取得了較好的結(jié)果。
1989 年，丁道揚(yáng)和Philip L-F Liu用剖開算子法和高精度埃爾米特單元成功模擬了濃度源強(qiáng)對流傳輸計算，初步探求了高雷諾數(shù)下數(shù)值求解N-S方程的方法。
2014 年作者完成了DNS的2D擬協(xié)調(diào)單元計算成果，2018年完成了DNS的三維（3D）協(xié)調(diào)單元研究成果，2021年完成了紊流不對稱性的DNS數(shù)值試驗成果。
《紊流數(shù)學(xué)模型研究》（丁道揚(yáng), 吳時強(qiáng)著. 北京 : 科學(xué)出版社，2024. 12）系統(tǒng)講述了通過剖開算子法，用協(xié)調(diào)或擬協(xié)調(diào)單元解對流算子的計算方法，對高雷諾數(shù)紊流開展DNS計算的基本理論、方法及計算實例。全書共11章，第1~4章分別介紹紊流基本理論、計算方法、典型過跌坎紊流等，第5~11章分別介紹不同情景條件下的紊流計算實例，如二維/三維跌坎紊流DNS計算、三維跌坎紊流LES計算、網(wǎng)格加密計算及二維和三維對比計算分析等。
寫本書目的是向讀者交流作者在DNS研究方面的成果，這些成果主要有：
利用DNS 模擬紊流，可不受Kolmogorov微尺度理論的制約，在較粗網(wǎng)格下也可得到滿足工程設(shè)計要求的結(jié)果。研究的重點，特別是高雷諾數(shù)紊流，應(yīng)是N-S數(shù)值方法。
作者提出的剖開算子法，用協(xié)調(diào)或擬協(xié)調(diào)單元解對流算子的計算方法，是DNS有效方法之一。
LES方法實質(zhì)上應(yīng)歸于RANS中最簡單的黏性模型中的零方程模型，但LES的效果尚待查明。
紊動產(chǎn)生是方程失穩(wěn)所致，DNS數(shù)值模擬紊流時，入流斷面無須附加脈動值。
每一種計算方法都是在不斷完善中發(fā)展的，作者提出的DNS解法，目前留下了兩個遺憾：其一，壓力泊松方程用消去法解，計算工作量、總計算量都很大，待尋找有效的迭代方法；其二，用三維協(xié)調(diào)單元不適合解復(fù)雜的幾何邊界問題，應(yīng)進(jìn)行擬協(xié)調(diào)單元的應(yīng)用研究。
科學(xué)總是在繼承和批判前人研究的基礎(chǔ)上發(fā)展的，包括自我批判。從1883年雷諾試驗起，紊流研究已有141年歷史，在近代計算技術(shù)和試驗技術(shù)迅速發(fā)展的基礎(chǔ)上，紊流研究也在迅速發(fā)展。本書提出了一些與學(xué)術(shù)界主流觀點不同的觀點，希望此書可以豐富紊流數(shù)值模擬研究，也盼望同行學(xué)者們對本書提出寶貴意見，無論是批評還是贊同，都能促進(jìn)紊流數(shù)值研究的發(fā)展。
本書的編撰，得到了南京水利科學(xué)研究院吳修鋒正高級工程師、薛萬云博士、王芳芳博士和蘭州理工大學(xué)樊新建博士的幫助與支持，作了多處補(bǔ)充和修改，他們的智慧和辛勤工作將一并留在本書的字里行間。本書的出版也得到了南京水利科學(xué)研究院出版基金資助。
本文摘編自《紊流數(shù)學(xué)模型研究》（丁道揚(yáng), 吳時強(qiáng)著. 北京 : 科學(xué)出版社,2024. 12）一書“序言”“后記”，有刪減修改，標(biāo)題為編者所加。
ISBN 978-7-03-079617-2
責(zé)任編輯：周 丹 沈 旭
本書可供水利水電、環(huán)境、航空、土木、機(jī)械及其他以流體為對象的相關(guān)部門科研及設(shè)計人員閱讀，亦可供大專院校相關(guān)專業(yè)的教師和研究生參考。
（本文編輯：劉四旦）
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