天然与科学中的流体力学

        前段功夫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世界顶级期刊Nature上颁发一篇论文，但作者并没有选择持续科研之路，而是回到家乡做一名通常的公务员。

        幼同伴们都知路，作为科学界的两大顶刊，Nature和Science是每个科研人员心中的圣地，想要在这两本期刊上颁发文章是极度难题的。那么作为一名人体力学的从业者，我们离Nature和Science有多远呢？

        01天然与科学

        Nature和Science都是综合类期刊里最顶级的存在。Nature创刊于1869年，总部设于英国伦敦，目前从属于出版公司Springer Nature Group，诸如粒子的颠簸性、DNA分子结构、板块机关学说、首个克隆哺乳动物等沉量级科研成就都在Nature上颁发。而Science则创刊于1880年，总部位于美国华盛顿特区，从属于公益性组织AAAS（美国科学推进会），在Science上颁发的代表性成就蕴含加快宇宙、人类免疫缺点病毒、量子推算机等沉大科学突破。

        Nature和Science的主刊都是周刊，并设有若干子刊，看起来数量并不少，但想要颁发一篇也极为不易。二者的主刊更是可望而不成及，据统计，均匀约一万名科研工作者中才有一两个幸运者能在主刊上颁发文章，是名副其实的万里挑一。当然也并非颁发于Nature和Science上的文章都是像DNA分子结构一样的沉大科技突破。那么通常而言，什么样的内容能够发在Nature或Science呢？

        以不久前颁发于Science上的一篇关于人体代谢快率的文章为例，作者把多年的昂贵尝试数据进行整合，发现人们在一致体沉下，婴幼儿时期的新陈代谢快率最高（比成年人约高50%）并随春秋起头递减，至二十几岁时达到不变并维持到60岁，之后再次以很低（约每年0.7%）的快率降落，颠覆了人们传统的认知，并啪啪打脸“中年发福”起源于代谢快率急剧降落的说辞。

        能够看的出来，这样的文章耗费（或利用）了来之不易的数据，所得的结论与人们的固有认知有显著的差距，令人不禁发出“原来如此”的通透感伤，算是顶刊文章的范例。这样的文章拥有高度的技术密集性，不外由于篇幅所限，通常是大量钻研工作的概述。而文字表述则脉络清澈又娓娓路来，堪称技术和艺术的结合。

        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。不外Nature和Science依然至高无上，被合称为NS，而这个简称又刚好和流体人心中的“白月光”——NS方程同名，也因而赋予了这个简称更深刻的寓意。

        在纳维和斯托克斯前后的一段时期，正值经典流体力学钻研的黄金年代，不外彼时的信息互换还没那么畅达，学者们更愿意就近颁发自己的成就。而NS期刊也还未面世，更不用说被大神们青睐。Nature创刊之后，坐拥英国皇家学会会士头衔的雷诺时不断就会挥洒一篇。不外学者们对文章颁发在哪里并没有那么在意，雷诺对Nature的偏心或许也只是由于离得近而已。

        相迸宗其它期刊，现代的NS更关注新兴学科的前沿性、机理性进展。好比1940年代以来，和天然科学极度靠近的大气和海洋湍流钻研受到了NS很长功夫的青睐，而近些年来钻研微纳米流动、微流控、生物学流动、星体流动就要比传统流体力学更容易被接管。最近几年Nature上关于微尺度流动的论文就有几十篇之多，而传统流体力学领域则少了好多。最近一篇关于湍流钻研的文章还是颁发于2015年，重要钻研内容为通过将流动诠释为湍流非线性传布的双稳态系统，来描述管路中壁面剪切引起的湍流转捩的触发机造。

        能发NS靠的不仅仅是实力，还必要一些命运。新冠疫情席卷全球吸引了大量学者进行钻研，而气流对疾病传布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钻研的文章登上Science及其子刊。所以，想要在NS上占有自己的名字，除了选对方向之表，还要紧盯时事。

        作为流体力学的另一个江湖，格子玻尔兹曼步骤（LBM）自从上世纪80年代诞生以来也发文无数，不外大多见于物理学或统计力学有关的刊物中。而在NS两大顶刊中，目前也仅有两篇关于LBM的文章被颁发。

        第一篇为2003年陈沪东等学者颁发于Science的文章《Extended Boltzmann Kinetic Equation for Turbulent Flows》，该文章系统论述了对于传统CFD步骤有挑战性的复杂流场问题，LBM步骤能够更真实的复显熹物理本原。与传统步骤直接对节造方程与几何模型的粗；χ梅制，LBM在介观层级求解流场，而后再统计均匀获取宏观变量，其粗；嗟奶宕丝毯蟠χ蒙隙乔蠼夤讨。

        在传统RANS的框架下，湍流模型将流动尺度分为大尺度和幼尺度的涡，而真实的湍流中大涡和幼涡是实时相互作用的，并蕴含了汗青效应，因而限度了湍流模型的合用领域。该文章指出，拓展后LBM步骤不仅在尺度分离恒定的流动中有效，并且能够涵盖尺度分离瞬时变动的流动。

        该文章还使用湍流弛豫功夫包办分子弛豫功夫，拓宽了BGK碰撞模型的利用领域，并指出其涵盖了简洁的动力学相互作用，可能表白更丰硕的物理内涵并超过RANS。文章的最后使用相应的数值步骤预测汽车和飞机的表流场，并获得了相当精确的了局。

        而时隔18年后，今年5月又有一篇崭新出炉的LBM有关文章颁布于Nature。Giacomo Falcucci等学者颁发了《Extreme flow simulations reveal skeletal adaptations of deep-sea sponges》一文，钻研了一种深水玻璃海绵骨骼结构的流体动力学个性。

        这种奇妙生物生涯在海底，拥有靠近最优资料散布的层化骨骼结构，但人们对其水动力学个性钻研甚少。作者构建了LBM的推算模型，并使用500亿的巨量格子对深水玻璃海绵的分歧生计周期进行了仿照，发显熹骨架排布可能降低水动力应力并推进了有关的内部再循环模式，揭示了深渊生物的非凡适应机造。

        本篇文章的作者还风雅的在GitHub上开源了其软件代码和数据，不外幼编感触这篇文章最沉要的意思在于向各人讲了然一个深刻的路理：科研要做好，经费不能少。

        值得一提的是，上述两篇文章的有一位共同的作者，意大利物理学家Sauro Succi。作为LBM领域的传怪杰物，Succi的专著《The Lattice Boltzmann Equation: For Fluid Dynamics and Beyond》是好多LBM进建者的教课书。