說到流體力學，多數人腦海中浮現出的場景或許都是各種物理公式和晦澀難懂的物理知識，其實，每一門科學說到底都是為人們的發展與需求服務的，流體力學也不例外。
2021年，碳達峰和碳中和首次被寫入政府工作報告中，力爭到2030年二氧化碳排放量達到峰值，到2060年實現碳中和。北京航空航天大學流體力學研究所所長潘翀在2021年北京地區廣受關注學術成果報告會（力學領域）上說：“我國是一個負責任的國家，這一目標體現了我國經濟社會發展全面綠色轉型的內在要求，要依託科學才能實現這一目標。我們所研究的力學科學也能貢獻出一份力量。”
力學可以為碳減排做什麼
近幾年來極端天氣越來越多，颶風異常活躍、冰川加速融化、森林打火頻發、極端暴雨頻仍，這些極端天氣的背後也都與流體力學或固體力學有著緊密的關係。為什麼極端天氣的發生與力學有關係？潘翀說：“運載工具的能源消耗主要用來克服運載工具表面與空氣發生高速相對運動產生的流動阻力，如果這個力能夠減少，那麼機械做功就可以減少，從而碳排放就可以減少，從而給實現雙碳目標貢獻力量。”
飛機就是一個很好的例子。C919飛機是我國首款完全按照國際先進適航標準研製的單通道大型幹線客機，與目前運營的同級別的飛機相比，其飛行阻力減小了5%，油耗降低了15%以上，氮氧化物排放比國際民航組織規定的要求低50%。這款大飛機不僅在材料應用與設計上採用了更為輕便的高科技材料，而且減阻也發揮了不可替代的作用。
飛機的發動機每加入1公斤原料，就會排放3.16公斤的二氧化碳，發動機的作用就是克服阻力產生推力的。根據研究統計，飛機77%的碳排放出現在巡航狀態，飛機表面受到的阻力中，佔比最大的是摩擦阻力，佔到50%。因此，減少摩擦阻力是減少碳排放首先要考慮的因素。
“運載工具高摩擦阻力的主要來源是繞流邊界層從層流轉變為湍流的過程，層流空氣的流動方向是規則有序的，而湍流是雜亂無章的，所以，湍流產生的摩擦阻力遠高於層流。我們研究湍流，未來要達到的目標是在C919這樣的大型客機上，機翼表面的邊界層繞流全部變成層流，從而減少摩擦力。”潘翀說。
精益求精 讓實驗資料更準確
湍流是不規律的，其邊界層包含多尺度流動結構，解釋的通俗一些就是流動“路線”非常混亂，有大有小、有遠有近，動量的虧損就體現在地面上摩擦力的產生。
潘翀在報告中提道，從理論層面來說，湍流的研究需要在時空場中進行，它將表現出一種瞬時的、非均衡的行為；而如果用統計學研究，把湍流用資料的方式表現在座標系中，就可以成為一種均衡研究。“如果把兩種方式結合起來就可以形成一種新的研究方法，既可以用非均衡的方法研究，也可以用統計學的方法來研究，這也是我們學術科學思想的初衷。”
湍流邊界層，如果用統計學的方法來觀察會發現，它是由一個個形似馬蹄狀的結構組合而成的，因此，湍流邊界層的統計平均渦結構被稱為類馬蹄渦結構，科學家研究出了幾何尺度的雷諾數標度規律，後期更便於對這種馬蹄渦結構的動力學特性做一些理論上的建模研究。
物理研究離不開實驗。在研究過程中，如何精確測量地面上的摩擦阻力呢？傳統方法是在地面貼感測器，但這並不是最優選擇。潘翀說：“感測器是有自身高度的，邊界層對地面的粗糙度非常敏感，容易受此影響而產生測量偏差。而且，一般這種地面感測器是透過測量熱對流的換熱率來間接估算的，如果貼在地上，就不可避免地會把熱量傳導至地面一部分，導致測量出的摩擦阻力偏小。我們設計出了一個非接觸的測量方法，從而獲得更準確的資料。”
力學減阻技術已在貨機實現初步應用
湍流研究並不容易，研究者們要透過計算、實驗與實際狀況相結合的方式對其進行系統研究。潘翀所在的北京航空航天大學對湍流的研究主要以實驗為主，他說：“透過這些研究和實驗，我們設計出了針對湍流結構的減阻控制裝置，並在飛艇上完成了實驗，可以有效實現減阻的目的。我們還研究出了斜置溝槽控制技術來減阻，透過誘導流動大尺度旋渦對外區流動施加影響。但是這一技術的減阻能力非常有限，於是我們探索了用等離子體加溝槽膜減阻，目前正在與中國商飛合作做後續研究。”
這些專業的知識聽起來讓人感覺陌生，但如果說起游泳冠軍菲爾普斯，大多數人都耳熟能詳。他之所以能夠取得如此優秀的成績，除了自身高超的技巧之外，菲爾普斯當時參賽所穿的鯊魚皮泳衣也起到了非常關鍵的作用。而這件泳衣所使用的就是溝槽壁減阻技術。潘翀說：“學術界早已針對這項技術的應用開展了研究，直到今年上半年，我得知德國漢莎航空將這項技術用在了貨機運輸上，能夠減少1%的阻力，如果換算成經濟效益，一年可以節省30萬人民幣。”
可見，一門新的技術從實驗室走向實際應用要經歷漫長的過程，透過一代又一代科學家的研究與發現，才能把這一項技術逐漸發展與拓展，最終實現服務人類。
由北京市科學技術協會主辦的2021年北京地區廣受關注學術成果報告會（力學領域）旨在圍繞北京"十四五"規劃和2035遠景目標，遴選北京學者在國內外期刊上發表的熱點、前沿、有重大科研進展的廣受關注學術成果，以專場學術交流報告會的形式為北京國際科技創新中心建設凝聚優秀科技工作者、發掘原始創新成果。
“科協頻道”微博對報告會進行了全程直播，共有62.4萬人次觀看並積極討論。識別下方二維碼可以觀看活動回放哦！
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石音 資深科普記者，中國科普作家協會會員，有多年一線採訪經驗，關注能夠改變生活的科技成果。
排版 |弢弢
稽核 | 六朵 蒼翼蝴蝶 蘇蘇
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