摘要：紊流（turbulent flow，亦常称为湍流）是自然界常见的流动形态，是流体力学界的重要研究领域。紊流运动是非常不规则的神奇流动，紊流混沌理论的蝴蝶效应造成了天气的风云变幻。
紊流（turbulent flow，亦常称为湍流）是自然界常见的流动形态，是流体力学界的重要研究领域。紊流运动是非常不规则的神奇流动，紊流混沌理论的蝴蝶效应造成了天气的风云变幻。
在计算技术迅速发展的今天，用数值方法预测紊流、控制紊流，有重要的科学意义和实用价值。作者从事紊流数值计算方法研究已约20年，研究内容包括应用最普及的雷诺方程数值求解（Reynolds averaged Navier-Stokes equatians，RANS）法、最优的大涡模拟（large eddy simulation，LES）法、最普适的直接数值模拟（direct numerical simulation，DNS）法；重点研究了粗网格下用DNS 法解高雷诺数复杂紊流，以及紊流不对称特性数值试验等。
紊流数值模拟研究
作为紊流数学模型研究者，当前应该把注意力放在何方，这是作者一直思考的问题。DNS是最普适的方法，但Kolmogorov的微尺度理论又阻碍了DNS的发展。作者认识到，Kolmogorov的微尺度理论仅是对能谱曲线高频段理论和试验的概括，能谱曲线高频段处能量占总体能量的比例极小，为什么没有人突破微尺度理论，做一下尝试呢？
作者早在2010年就开始尝试对DNS方法进行研究，提出了以大涡控制的复杂紊流可以放弃微尺度η 的观点；对雷诺数为44 000的二维跌坎紊流做了模拟计算，取得了较为满意的结果。此后，作者围绕DNS方法做了一系列研究工作，不断探索和改进高雷诺数紊流N-S方程求解的方法。
虽然可在粗网格下用DNS计算，但由于高雷诺数下N-S方程的对流项占主导地位，而且是紊流产生的根源，如何提高对流的计算精度十分重要。作者提出了拟协调单元和协调单元解法，取得了较好的结果。
1989 年，丁道扬和Philip L-F Liu用剖开算子法和高精度埃尔米特单元成功模拟了浓度源强对流传输计算，初步探求了高雷诺数下数值求解N-S方程的方法。
2014 年作者完成了DNS的2D拟协调单元计算成果，2018年完成了DNS的三维（3D）协调单元研究成果，2021年完成了紊流不对称性的DNS数值试验成果。
《紊流数学模型研究》（丁道扬, 吴时强著. 北京 : 科学出版社，2024. 12）系统讲述了通过剖开算子法，用协调或拟协调单元解对流算子的计算方法，对高雷诺数紊流开展DNS计算的基本理论、方法及计算实例。全书共11章，第1~4章分别介绍紊流基本理论、计算方法、典型过跌坎紊流等，第5~11章分别介绍不同情景条件下的紊流计算实例，如二维/三维跌坎紊流DNS计算、三维跌坎紊流LES计算、网格加密计算及二维和三维对比计算分析等。
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写本书目的是向读者交流作者在DNS研究方面的成果，这些成果主要有：
利用DNS 模拟紊流，可不受Kolmogorov微尺度理论的制约，在较粗网格下也可得到满足工程设计要求的结果。研究的重点，特别是高雷诺数紊流，应是N-S数值方法。
作者提出的剖开算子法，用协调或拟协调单元解对流算子的计算方法，是DNS有效方法之一。
LES方法实质上应归于RANS中最简单的黏性模型中的零方程模型，但LES的效果尚待查明。
紊动产生是方程失稳所致，DNS数值模拟紊流时，入流断面无须附加脉动值。
每一种计算方法都是在不断完善中发展的，作者提出的DNS解法，目前留下了两个遗憾：其一，压力泊松方程用消去法解，计算工作量、总计算量都很大，待寻找有效的迭代方法；其二，用三维协调单元不适合解复杂的几何边界问题，应进行拟协调单元的应用研究。
科学总是在继承和批判前人研究的基础上发展的，包括自我批判。从1883年雷诺试验起，紊流研究已有141年历史，在近代计算技术和试验技术迅速发展的基础上，紊流研究也在迅速发展。本书提出了一些与学术界主流观点不同的观点，希望此书可以丰富紊流数值模拟研究，也盼望同行学者们对本书提出宝贵意见，无论是批评还是赞同，都能促进紊流数值研究的发展。
本书的编撰，得到了南京水利科学研究院吴修锋正高级工程师、薛万云博士、王芳芳博士和兰州理工大学樊新建博士的帮助与支持，作了多处补充和修改，他们的智慧和辛勤工作将一并留在本书的字里行间。本书的出版也得到了南京水利科学研究院出版基金资助。
本文摘编自《紊流数学模型研究》（丁道扬, 吴时强著. 北京 : 科学出版社,2024. 12）一书“序言”“后记”，有删减修改，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-079617-2
责任编辑：周 丹 沈 旭
本书可供水利水电、环境、航空、土木、机械及其他以流体为对象的相关部门科研及设计人员阅读，亦可供大专院校相关专业的教师和研究生参考。
来源：科学出版社
