自然与科学中的流体力学
2021-09-27 16:55:33
admin
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前段时间有个新闻闹的沸沸扬扬：浙江理工大学化学系的一名硕士以第一作者在天下顶级期刊Nature上揭晓一篇论文 ，但作者并没有选择继续科研之路 ，而是回抵家乡做一名通俗的公务员 。
小同伴们都知道 ，作为科学界的两大顶刊 ，Nature和Science是每个科研职员心中的圣地 ，想要在这两本期刊上揭晓文章是很是难题的 。那么作为一名士体力学的从颐魅者 ，我们离Nature和Science有多远呢？
01自然与科学
Nature和Science都是综合类期刊里最顶级的保存 。Nature创刊于1869年 ，总部设于英国伦敦 ，现在隶属于出书公司Springer Nature Group ，诸如粒子的波动性、DNA分子结构、板块结构学说、首个克隆哺乳动物等重量级科研效果都在Nature上揭晓 。而Science则创刊于1880年 ，总部位于美国华盛顿特区 ，隶属于公益性组织AAAS（美国科学增进会） ，在Science上揭晓的代表性效果包括加速宇宙、人类免疫缺陷病毒、量子盘算机等重大科学突破 。
Nature和Science的主刊都是周刊 ，并设有若干子刊 ，看起来数目并不少 ，但想要揭晓一篇也极为不易 。二者的主刊更是可望而不可及 ，据统计 ，平均约一万名科研事情者中才有一两个幸运者能在主刊上揭晓文章 ，是名副着实的万里挑一 。虽然也并非揭晓于Nature和Science上的文章都是像DNA分子结构一样的重大科技突破 。那么一样平常而言 ，什么样的内容可以发在Nature或Science呢？
以不久前揭晓于Science上的一篇关于人体代谢速率的文章为例 ，作者把多年的腾贵实验数据举行整合 ，发明人们在一律体重下 ，婴幼儿时期的新陈代谢速率最高（比成年人约高50%）并随年岁最先递减 ，至二十几岁时抵达稳固并维持到60岁 ，之后再次以很低（约每年0.7%）的速率下降 ，倾覆了人们古板的认知 ，并啪啪打脸“中年发福”泉源于代谢速率急剧下降的说辞 。
可以看的出来 ，这样的文章泯灭（或使用）了来之不易的数据 ，所得的结论与人们的固有认知有显着的差别 ，令人不禁发出“原来云云”的通透感伤 ，算是顶刊文章的规范 。这样的文章具有高度的手艺麋集性 ，不过由于篇幅所限 ，通常是大宗研究事情的概述 。而文字表述则脉络清晰又娓娓道来 ，堪称手艺和艺术的团结 。
02 NS与流体力学
正如生物类有Cell ，医科类有Lancet ，流体力学类也有自己的顶级期刊 ，如JFM、PRL、POF等 。不过Nature和Science仍然高屋建瓴 ，被合称为NS ，而这个简称又恰恰和流体人心中的“白月光”——NS方程同名 ，也因此付与了这个简称更深刻的寄义 。
在纳维和斯托克斯前后的一段时期 ，正值经典流体力学研究的黄金年月 ，不过彼时的信息交流还没那么通畅 ，学者们更愿意就近揭晓自己的效果 。而NS期刊也还未面世 ，更不必说被大神们青睐 。Nature创刊之后 ，坐拥英国皇家学会会士头衔的雷诺时时时就会挥洒一篇 。不过学者们对文章揭晓在那里并没有那么在意 ，雷诺对Nature的偏幸或许也执偾由于离得近罢了 。
相比于其它期刊 ，现代的NS更关注新兴学科的前沿性、机理性希望 。好比1940年月以后 ，和自然科学很是靠近的大气和海洋湍流研究受到了NS很长时间的青睐 ，而近些年来研究微纳米流动、微流控、生物学流动、星体流动就要比古板流体力学更容易被吸收 。最近几年Nature上关于微标准流动的论文就有几十篇之多 ，而古板流体力学领域则少了许多 。最近一篇关于湍流研究的文章照旧揭晓于2015年 ，主要研究内容为通过将流动诠释为湍流非线性撒播的双稳态系统 ，来形貌管道中壁面剪切引起的湍流转捩的触发机制 。
能发NS靠的不但仅是实力 ，还需要一些运气 。新冠疫情席卷全球吸引了大宗学者举行研究 ，而气流对疾病撒播的影响也更容易被论文审阅者接受 。2021年才过了一半 ，就有不少关于病毒扩散研究的文章登上Science及其子刊 。以是 ，想要在NS上拥有自己的名字 ，除了选对偏向之外 ，还要紧盯时势 。
作为流体力学的另一个江湖 ，格子玻尔兹曼要领（LBM）自从上世纪80年月降生以来也发文无数 ，不过大多见于物理学或统计力学相关的刊物中 。而在NS两大顶刊中 ，现在也仅有两篇关于LBM的文章被揭晓 。
第一篇为2003年陈沪东等学者揭晓于Science的文章《Extended Boltzmann Kinetic Equation for Turbulent Flows》 ，该文章系统叙述了关于古板CFD要领有挑战性的重大流场问题 ，LBM要领可以更真实的复现其物理来源 。与古板要领直接对控制方程与几何模子的粗�；聿畋� ，LBM在介观层级求解流场 ，此后再统计平均获取宏观变量 ，其粗�；嗟奶逑衷诤蟠砩隙乔蠼饫讨� 。
在古板RANS的框架下 ，湍流模子将流动标准分为大标准和小标准的涡 ，而真实的湍流中大涡和小涡是实时相互作用的 ，并包括了历史效应 ，因而限制了湍流模子的适用规模 。该文章指出 ，拓展后LBM要领不但在标准疏散恒定的流动中有用 ，并且可以涵盖标准疏散瞬时转变的流动 。
该文章还使用湍流弛豫时间取代分子弛豫时间 ，拓宽了BGK碰撞模子的应用规模 ，并指出其涵盖了精练的动力学相互作用 ，能够表达更富厚的物理内在并逾越RANS 。文章的最后使用响应的数值要领展望汽车和飞机的外流场 ，并获得了相当准确的效果 。
而时隔18年后 ，今年5月又有一篇崭新出炉的LBM相关文章宣布于Nature 。Giacomo Falcucci等学者揭晓了《Extreme flow simulations reveal skeletal adaptations of deep-sea sponges》一文 ，研究了一种深水玻璃海绵骨骼结构的流体动力学特征 。
这种巧妙生物生涯在海底 ，具有靠近最优质料漫衍的层化骨骼结构 ，但人们对其水动力学特征研究甚少 。作者构建了LBM的盘算模子 ，并使用500亿的巨量格子对深水玻璃海绵的差别生涯周期举行了模拟 ，发明其骨架排布能够降低水动力应力并增进了相关的内部再循环模式 ，展现了深渊生物的特殊顺应机制 。
本篇文章的作者还大方的在GitHub上开源了其软件代码和数据 ，不过小编以为这篇文章最主要的意义在于向各人批注晰一个深刻的原理：科研要做好 ，经费不可少 。
值得一提的是 ，上述两篇文章的有一位配合的作者 ，意大利物理学家Sauro Succi 。作为LBM领域的传奇人物 ，Succi的专著《The Lattice Boltzmann Equation: For Fluid Dynamics and Beyond》是许多LBM学习者的教课书 。
