第588章 湍流與納維-斯托克斯方程

因爲曾到段永恭教授的實驗室實習過,也參與過胡青峰教授、何良傅教授、得國的科佩特教授的課題研究工作,秦克和寧青筠只經過兩三天短暫的適應期後,就已熟悉了在“空氣湍流與氣候預測”課題組裡的學習與生活,並開始投入其中,進入自己的跟班學習生涯。

他們的研究生學習也與普通的研究生不一樣,去不去課室聽課是完全自主決定的,而現在研究生的課程大多數對兩人來說已是比較顯淺了的,只有少部分選修課或者專業課的內容兩人有興趣,纔會去聽一聽,其餘的白天時間,基本上都呆在“空氣湍流與氣候預測”課題組裡。

經過這幾天的熟悉,秦克已將所有人的相貌與名字全記住了,還私下裡做了簡單的筆記,記錄下每個人的年紀、性格、愛好,以及家庭情況。

晚上,在兩人的“小窩二號”自習室裡,寧青筠看着秦克做表格,忍不住悄聲問:“秦小克,你記錄這些有什麼用呀?”

秦克見明明這裡就只有兩人,單馬尾少女還有點做賊心虛,似乎要替他遮擋的樣子,不由樂了,親了親少女那粉嫩柔滑的小臉,笑道:“這雖然不是什麼值得公開宣揚的好事,但也算不得什麼見不得人的壞事,你不用這麼緊張。以前剛上大學時,我也做過類似的表格,你可能沒留意。”

秦克令微光打開筆記本電腦裡的表格,小臉微紅的寧青筠果然看到“基科班名錄”的表格文件,上面同樣記錄着全班每個人,除了她和秦克自己外其餘同學的大概信息。

“每到一個新環境,想積極地融入其中,就要多聊天瞭解信息,而且要記錄下每個人的要點,包括喜好、厭惡的忌諱的事、簡單家庭狀況,這樣才能與周圍的人相處得好,避免不小心‘踩雷’。比如有人離婚了,伱就要判斷他對這事的態度,是樂觀的,還是視爲奇恥大辱,如果是樂觀的,你可以和他提起電視裡的相親節目來開玩笑,如果是負面忌諱他人提起這事的,那在他面前,哪怕是和別人談話,都儘量不要涉及到相親啊、婚姻啊、離婚之類的敏感字眼。這些在我們大一下學期學過的人際關係學選修課裡,老師都有提及過的吧?”

寧青筠有些佩服地點了點頭:“確實學過,但老師沒說得這麼詳細,更沒教我們怎麼做。”

“學以致用嘛,根據理論改進人際關係,你看我這表格就比以前剛上大學時的表格更專業些。‘空氣湍流與氣候預測’課題組是我們要長期學習的地方,我們沒必要加入所謂的內部派系,堅定地作爲姜老師的嫡系就行了,但也要儘量地營造舒服的環境氛圍,讓學習與科研更快樂些,對不對?

秦克是這樣想的,也是這樣做的,憑着他的社交能力和獨特的人格魅力,加上主動請了兩次客,很快就帶着寧青筠與課題組裡的人熟絡起來,衆人對他倆也少了份生疏與審視,多了幾分真誠的熱情。

尤其是那些同樣是實習生身份的博士們,年紀只相差七八歲,多半又都心思單純,見明明已是世界聞名的大數學家、數學系正研究員級別的秦克、寧青筠絲毫沒有架子,都很樂意與他們交往。

比如性格外向的博士後鄧兆亮就對秦克特別熱情,一直主動地向他介紹各種實驗設備以及課題組內幾個小組的情況。

鄧兆亮也算是海歸,MIT的物理專業博士,比就讀過MIT數學系的陳立成晚了一屆,但他與陳立成關係很好,上次秦克救了陳立成一命,鄧兆亮極爲感激,這時對秦克自然是份外親近。

當然,男生們面對漂亮動人、青春明媚、又總隱隱透着清冷氣息的寧青筠還是有點拘緊,不太好意思接近,但與秦克很快就變成了勾肩搭背,可以玩些顏色笑話甚至說點心裡話的親密友人關係了。

女生們在寧青筠的零食攻勢下(秦克指點),也與寧青筠相處得很不錯——課題組裡以男性居多,但女生也有十個左右,多數都是博士生或者博士後。

感覺到實驗室四周的氛圍明顯變得溫和寬鬆、歡快起來,寧青筠不得不從心裡佩服秦克,有心思,有熱情,也有技巧,這樣的秦克不受人歡迎真是天理難容。

這一天是週五,課題組每週一次的總結報告交流會議就在六層的會議室裡召開。

這樣的總結報告交流會只要在實驗樓裡的課題組成員,都必須出席,在會議上主要分享各人近期的研究成果,以及遇到的問題。

會議紀錄一般由實習生來擔任,再由一個研究員作複覈,作爲新人的寧青筠很自然地就擔負起記錄的工作來。

她記錄得很是輕車熟路,讓配合她的研究員於曉慶頗爲驚訝,慶姐悄聲問:“小寧,以前你做過記錄?”

“嗯,以前也在其他課題組裡做過類似的工作。”寧青筠點了點頭。

慶姐朝她豎起了大拇指。

這樣的會議秦克和寧青筠都聽得很認真,也能學到許多書本上接觸不到的細節。

比如研究員莊會超的發言:“最近我們小組裡遇到了一個問題,採用半拉格朗日方法計算平流項以及在空間離散化時,若採用二階精度的中央差,會導致格朗日上游點的求解困境,以及上游點變量插值造成的守恆性缺失問題,如再提高精度,目前我們機房裡的服務運算能力就跟不上了,需要申請神威太湖之光的超算來計算數據……”

秦克翻了下資料,發現課題組裡的數據量每年的新增量已超過30TB,而且還呈不斷加速增長的趨勢。

難怪要用到超算了,這樣的數據量,普通服務器羣組根據處理不過來。

秦克匆匆翻罷資料便放到了一邊,繼續認真聽着,順手記下一些他認爲有必要繼續查找資料或者值得重視的問題。

報告交流還在繼續。

“最近我們嘗試利用雷達回波數據,來進行短時降水預報測試……”

“現在我們的實驗數據越來越龐大,光靠人工編寫算法來提取信息效率太低了,我建議引入人工智能,實現數據分析、信息提煉的自動化……”

人工智能分析海洋數據?這倒是個好方向。

秦克想起到了LV3的微光,以微光此時的數據分析篩選能力,應付這麼大規模的數據還是很吃力,估計要升到LV4纔有可能勉強達到目前課題組的要求,想要遊刃有餘、高智能地作出數據分析、數據畫圖和數據預測預警,怕得要到LV5了。

秦克正想着,姜爲先老院士忽然開口道:“秦克,你之前寫過極端天氣下氣候現象的論文,你說說影響到氣候的都有哪些因素,能想到多少就說多少。”

秦克怔了怔,這怎麼就忽然提問起來了?

不過這應該也算是研究生學習的一環,憑秦克這時的物理知識儲備,這樣簡單的問題張口就能回答,更別說當初爲了寫論文,他還翻閱過大量的文獻。所以他幾乎想也沒想便直接答道:

“影響氣候的條件有很多,不同地域不同地形在不同條件下,都會對氣候產生不同的影響,這些都屬於自然地理因素。此外就是全球氣候變暖、冰川融化、厄爾尼諾現象、海平面上升等世界性的因素,也會在一定程度上影響我國的氣候。人類活動產生的物理化學因素,同樣會對當地氣候產生明顯的影響,比如汽車尾氣排放、化學污染物的排放、人類改造地形地貌等。此外大氣運動在地表產生的湍流效應,也會對氣候產生不可預知的影響。”

姜爲先老院士微微點頭,又轉向寧青筠道:“湍流是在大雷諾數下發生的,小寧你簡單說說雷諾數與湍流的關係?”

寧青筠略一思索答道:“雷諾數小的時候,爲層流,因爲黏滯力對流場的影響大於慣性力,使得流體流動相對穩定。若是雷諾數較大時,則相反,黏滯力對流場的影響小於慣性力,流速越過臨界值後,流體流動會因流速而變得不穩定,產生各個方向的隨機運動,形成混亂而無規律的湍流流場(渦漩)。”

姜爲先院士再次點頭,他當然知道這兩個學生能答得出來,只是想讓衆人親眼見識下自己弟子紮實的基本功。他看向兩人:“你們應該已熟悉這個課題組的情況了,課題組內部也分爲五個小組,你倆從今天起,就專門去跟進湍流小組的研究吧。”

周圍響起了一片輕微的騷動,但很快就安靜下來,只是看向秦克和寧青筠的目光都變得複雜起來,有惋惜,有同情,也有期盼和羨慕。

會議結束,衆人散去,回到座位,旁邊的博士後鄧兆亮便悄眯眯地對秦克道:“姜老院士看來對你們期許很高啊,居然讓你們去研究湍流。”

所謂的湍流,是指時間和空間上強烈變化、多尺度的、不規則的複雜非線性流體運動狀態。

最先發現並對流體運動中湍流現象進行研究的是鷹國物理學家雷諾,並定義了流體內部存在兩種的結構完全不同的流態:層流和湍流,也就是剛纔寧青筠回答的答案。

如果說流體力學裡哪個部分最難最複雜,除了橫跨數學物理方面的N-S方程外,那就要數湍流了。

因爲湍流是無規則、混沌的,如果你把一小段河流的湍流分別用函數來表示並畫成圖形,你會看到……什麼叫一團亂麻,就像小朋友不懂事亂塗亂畫的一堆線條,看得人頭皮發麻。

如果說流體力學是個坑,那湍流就是看不見底的深淵。

當初得國著名物理學家、量子力學的創始人、諾貝爾物理學獎大佬沃納·卡爾·海森堡,就曾說過:“如果我見到上帝,我會問他兩個問題:相對論是什麼鬼?湍流是什麼鬼?我覺得他會知道前一個問題的答案。”

這位量子力學的大物理學家,在研究量子力學之前就是研究湍流的,他的博士論文題目叫《論流體流動的穩定性與湍流》,然而一年後,他就英明地發現湍流是個難出成果的深淵,果斷地改行研究起量子力學,並在八年後因爲量子力學的研究成果獲得了諾貝爾物理學獎。到他老年後,功成名就,又得志意滿地嘗試迴歸湍流研究,但依然沒什麼大的進展,最終再次放棄,於是纔有了上面的感慨之言。

——上帝會知道相對論的答案,卻不知道湍流的答案。

鄧兆亮大概是怕自己的話嚇着了秦克和寧青筠,見兩人面面相覷,便趕緊又補充道:“‘湍流小組’在我們課題組有‘精英組’之稱,基本上只有表現很出色的團員纔有資格進入,目前只有十九人,算上你們也就二十一人,小組長是姜老院士親自擔任。課題組裡對N-S方程的研究,也主要在‘湍流小組’裡。”

說着他又壓低聲音,神秘道:“磁約束可控核聚變知道吧?湍流小組也在研究着相關的關鍵問題——磁流體力學因湍流現象而產生的不穩定性。”

他嘆道:“因爲這個小組太高端,我們對它既敬而遠之,又渴望終有一天能進入這個小組,因爲那表示我們的實力被姜老院士認可了,成爲了課題組裡的精英。說來你們知道N-S方程與湍流的關係吧?”

秦克微笑道:“略懂一些。通過N-S方程來描述湍流現象,換成數學語言就是:確定的非線性偏微分方程是否有長時間的不規則漸進解。層流是小雷諾數下N-S方程初邊值問題的唯一解,隨着流動雷諾數增加,流動由層流向湍流轉變,這可以看作N-S方程初邊值問題解的性質在變化。雷諾數增加到臨界點,N-S方程出現分岔解,湍流現象則是N-S方程的漸進不規則解。”

鄧兆亮聽得一愣一愣的,好會兒才豎起大拇指:“不愧是姜老院士的高足,佩服啊佩服,如果這叫略懂,那我想我們這些博士生可以集體自閉了。”

從這一天起,秦克和寧青筠就進入到湍流小組。

與別的小組不一樣,湍流小組不用離開實驗室,也不用到處跑去考察,因爲多數研傲視羣雄工作都是通過理論推導與小型實驗來完成的。

秦克二人在物理專業上暫時沒出成績,求真書院的邱老先生卻已打電話來請兩人開始準備授課了。

而與此同時,實驗設備全部部署完畢的青檸植物培育實驗室,有關計算種子學和種子DNA的研究,也進行得如火如荼……

當然,最吸引國際數學界目光的,還是IMU對秦克證明黎曼猜想的重點審覈。

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