本号前几期介绍了”十三五“数学学科建议优先发展的领域、“十三五”数学学科发展目标和可能取得突破的领域、“十三五”天文学学科优先发展领域。

本期，小编精选了国家自然科学基金委员会数学物理科学部编，数理科学“十三五”规划战略研究报告中的力学学科优先发展领域呈现给读者。

在对力学学科特点、国际发展态势和国内发展趋势分析的基础上，根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020 年）》提出的 2020 年我国科学技术发展的总体目标和未来中国科学技术发展的总体部署，结合力学学科适应国家经济、社会中长期发展的重大需求，综合考虑力学学科未来 5 年的总体发展战略布局和发展目标、交叉学科发展布局与重点发展方向，提出如下力学学科优先发展领域。

动力学与控制学科

1.高维 / 非光滑系统的非线性动力学

自然界和工程系统往往体现出复杂性，其状态空间一般是高维甚至是无限维的，并经常含有非线性和非光滑因素、快变和慢变耦合响应、子系统之间动态耦合的时滞、能量传递以及需要辨识的物理参数。这类问题的动力学研究难度比低维非线性动力学问题要大许多，已成为非线性动力学理论走向应用的瓶颈。因此，迫切需要发展包含这些复杂因素的非线性动力学理论和方法，这也是目前世界范围内动力学与控制学科的重要基础问题，是最具挑战的前沿研究领域。

主要研究内容包括： 1.高维多场耦合非线性动力学全局动态行为的分析方法和计算方法。2.非线性时滞系统的时滞辨识方法和时滞效应。 3.非光滑因素的表征以及分析诱发的运动或动态行为的解析方法。4.快变和慢变子结构耦合的动力学行为的分析方法。5.非线性动力学实验技术研究。 神经系统动力学行为的描述和分析方法。

2.非线性耦合系统的随机动力学与控制

随机动力学研究所涵盖的对象日益复杂，包括各种非高斯、非平稳以及非马尔可夫噪声激励的研究，各种形式的非线性因素，力 / 电 / 磁 / 热 / 声等的多场耦合。因此，需要深入研究上述诸多因素对动力学行为的影响机制。

主要研究内容包括： 1.非高斯、非平稳以及非马尔可夫噪声激励下，随机稳定性、随机分岔、可靠性和随机控制的关键科学问题。2.机械、土木、航空、航天与海洋等工程中存在的各种随机不确定激励的定量表征与建模。 3.随机激励下力 / 电 / 磁 / 热 / 声等耦合系统的动力学及控制。4.随机激励下具有碰撞、摩擦和单边约束等的非光滑系统。5.随机动力学及其控制的实验研究。

3.复杂多体系统动力学建模、分析和实验

多体系统动力学研究面向各类工程对象，要求结合学科发展现状和我国重大工程装备发展需求，不断凝练具有共性的动力学问题，发展新的动力学建模和计算分析技术，为工程学科的发展提供重要的理论支撑并发挥引领作用。

主要研究内容包括：1.多体系统动力学多尺度层次化建模理论、高效计算方法及实验研究。2.非光滑激发的尺度效应分析及模型表征。3. 刚 - 柔 -液 - 热耦合系统动力学分析与控制。4.针对航天、航空、海洋和车辆等工程中的复杂系统，以及生物力学、仿生机器人和运动医学等新兴领域中的多体动力学共性问题，提出新概念、新理论和新算法。5.多体系统动力学与控制理论、人工智能和信息传感等一体化集成研究。

4.约束系统动力学的分析与计算

现代分析力学的发展与约束系统的研究相辅相成。约束系统的建模、分析与计算是动力学与控制学科的热点问题，而分析力学是研究约束系统最有力的工具，因此需要深入开展利用分析力学方法研究约束系统的动力学与控制问题。

主要研究内容： 1.构造约束系统的伯克霍夫表示，实现非保守约束系统的自伴随化。2.用度量 - 辛双几何结构实现约束系统在莱布尼兹流形上的建模与分析。3.基于流形和纤维丛上的动量映射理论，研究约束系统的对称性约化问题。4.基于几何力学方法，研究非完整系统的非线性控制和约束系统的运动规划与控制问题。5.构造非完整系统的纤维丛结构，研究非完整约束系统的几何力学与保结构算法。

固体力学学科

1.新型材料的本构理论与实验方法

新型结构材料、功能材料、软物质、先进能源材料和环境友好材料不断涌现。例如，未来软机器领域的水凝胶、离子凝胶、介电弹性体和形状记忆聚合物等为代表的高分子材料，可控核聚变反应堆、磁悬浮等大型电磁装置等领域的新型电磁材料，航空航天结构智能控制、大型结构健康监 / 检测等众多领域的感应器件与致动器件所涉及的压电、铁电、多铁、挠曲电、形状记忆合金、超磁致伸缩材料，超高温、超高速、超高压和超低温等极端条件下的特殊材料等。这些新型固态介质的本构关系涉及多场耦合、多过程耦合、多尺度和大变形等问题，对相关结构设计、功能设计、失效分析和可靠性评价至关重要。

主要研究内容包括：1.水凝胶、离子凝胶、介电高分子和电化学储能材料的力 - 电 - 化学耦合大变形本构理论。2. 力、热、光、电、磁和溶剂场下形状记忆高分子的本构理论。3.新型电磁材料的多场耦合本构理论。4.高温多孔材料的力 - 化学耦合本构理论。5. 极端条件下材料的多尺度多场耦合本构理论。5. 新型材料相关的实验方法、技术与仪器。

2.超常服役条件下固体力学行为与强度理论

随着现代科技的快速发展，拓展服役条件的需求愈发强烈，对材料和结构的要求也越来越高，许多新技术和创新思想的实现受限于材料技术的突破，超常环境下材料服役行为的研究成为热点。这些典型的超常服役条件包括超高 /低温、热冲击、高热流、强辐照、极高真空、超高压、强磁场、强化学环境、高过载和高应变速率等及其组合，对已有的固体力学理论和方法产生了极大的挑战，需要弄清超常服役条件与材料耦合作用机制，充分认识材料性能的演化规律和关键控制要素，科学表征和评价所关注的使用性能，才能从纳观到宏观层次，弄清和逐渐优化材料组分及界面效应，为设计和研发高性能、高效能新材料奠定基础。

主要研究内容包括：1. 基于等效原理、可实现超常环境要素耦合和解耦的模拟理论与方法。2.苛刻条件下环境与材料响应的在线信息监测方法与技术。3.材料力学性能演化规律与失效机理。4.与环境参量相关的材料本构关系和宏细观强度理论。5.材料服役行为的多尺度、多物理场耦合模拟方法。6. 面向特殊需求的特种材料优化方法。

3.柔性结构与器件力学

自然界各式各样的柔性结构与器件具有智能、灵活和高效等特点，如心脏跳动，眼睛对目标的快速、精确捕捉，鸟儿灵活自如地飞翔、急停和转弯，动物的变色伪装等。软机器是未来的重要发展方向之一，在许多领域具有广阔的应用前景，如柔性智能飞行器、潮汐发电装置、关节健康恢复、智能伪装和智能柔性照相装备等。柔性结构与器件的设计、制备与控制，涉及材料的多场大变形本构理论、功能 - 材料 - 结构一体化设计原理及结构多场响应与振动控制等问题，对固体力学的理论、方法和分析手段等提出了新挑战。

主要研究内容包括：1. 新型柔性智能与结构材料的制备及性能表征。2. 柔性结构与器件的力、热、电和化学多场多过程的连续介质力学框架、耦合响应与振动控制。3.柔性结构与器件的多场多过程耦合的大变形高效算法与稳定性理论。4. 柔性结构与器件的性能评价、可靠性分析及寿命预测理论与方法。5.新概念软机器的功能 - 材料 - 结构一体化设计原理。

4.非均匀结构材料的弹性波调控

通过被动或主动的方式调节非均匀复合材料（如声子晶体、声波 / 弹性波超材料）的内部几何拓扑结构和组分材料的物性，对弹性波传播进行控制，从而实现某些特有的声学功能，甚至一些反常功能，如负折射、聚焦、成像、隐身、定向传播、单向传播、隔振降噪、滤波、延迟和隧穿等。上述这些问题的研究将涉及非线性波动理论、多场耦合介质波动理论、动态均匀化理论、微纳米波动力学理论、散体介质波动理论和多目标优化设计方法等。

主要研究内容包括：1.压电、铁磁、光敏和形状记忆（合金或聚合物）等多功能材料的多物理场耦合作用机理，及电、磁、光和热对波（包括体波、表面波、Lamb 波等模态）传播的主动调控方法。2.软物质、颗粒介质等的非线性大变形与失稳机制、力控几何拓扑结构理论及波传播的主动调控方法。3. 非线性波传播的调控理论与方法。4.弹性波与光波的相互作用机理、声波和光波的相互调控方法、及声光器件的设计原理。5.特定声学功能的拓扑结构优化算法及功能 - 材料 - 结构多目标的一体化优化设计。6. 非均匀复合材料中波传播的全场可视化实验技术。7. 新型声学功能器件的设计原理。

5.轻质材料 / 结构力学和多功能轻量化优化

结构轻量化既是飞行器设计所追求的永恒主题，同时也是实现节能减排、降耗增效的一项关键技术。随着复合材料、点阵材料和多孔材料等先进材料的发展，结构轻量化设计已经在航空航天、交通运载和海洋船舶等行业中获得了越来越多的应用。轻质材料与结构设计一般需考虑多场耦合服役环境下兼顾传力、传热、透波和隔振等多功能需求，同时其力学响应和破坏行为亦对微结构形式随机微观缺陷异常敏感，由此导致结构效率与可靠性之间的矛盾十分突出。因此，迫切需要发展轻质材料 / 结构力学以及轻量化设计的基本理论与方法。

主要研究内容包括：1.轻质材料内部微结构信息的无损全场观测与典型微结构统计特征的定量化表征方法。2.轻质材料基本组元原位性能的精细化测试技术及失效机理分析。3.基于多尺度渐进损伤分析和实验验证的轻质材料虚拟实验技术。4.面向多功能的（如传力、传热、透波和抗冲击等）轻质材料等效性质预测及轻质结构响应的高效数值分析方法。5. 面向多功能的多尺度、多目标轻质材料 - 结构协同优化设计的理论与方法。6. 考虑多源不确定性的多功能轻质材料 / 结构优化设计。

6.复杂结构的动态响应与可靠性评估方法

实际工程最为关注工程结构或装备在真实服役条件下的响应和可靠性问题，而这些真实服役环境主要是动态的组合载荷条件，结构复杂性也极大地提高。基于传统的静载荷附加安全系数的设计方法，或基于简化模型的结构动力学分析方法，难以满足复杂动态载荷下复杂结构的设计需求，也难以给出准确的寿命预报。同时实际存在的大量不确定性因素给分析、设计和评价工作带来巨大挑战，如何科学地表征各种不确定性因素，如何将定量化表征后的不确定性引入到可靠性评价中，也对现有理论和方法提出了挑战。

主要研究内容包括：1. 复杂载荷条件下复杂结构的动力学建模方法和载荷谱辨识。2.力 / 热 / 振动 / 宽频噪声载荷耦合作用下复杂结构的动响应分析方法。3.随机性和不确定性的定量化分析与数学描述方法。4. 结构响应影响因素的灵敏度与影响机制研究。5.复杂动载荷作用下材料与典型结构单元级的失效机理与寿命预报方法。6. 关键响应参量的测试和表征方法。7. 基于可靠性分析的评价和优化方法。

7.大规模多尺度 / 多场耦合力学问题的数值模拟

当前固体力学领域众多的前沿问题在本质上都具有鲜明的多重尺度特征，同时大型复杂结构与装备在服役状态下的变形、损伤和破坏行为也与多尺度、多场耦合过程密切关联。多场耦合条件下涉及多重物质形态、多重时空尺度的数值模拟，多尺度非匀质材料与结构的优化设计，时空多尺度条件下考虑多源不确定性及其传播的复杂系统可靠性分析等仍是现代计算力学颇具挑战性的问题，急需发展新的理论与高效算法，这不仅有助于加深对多尺度、多场耦合力学行为本质规律的理解，而且还可以直接为我国重大需求提供先进的数字化工具。

主要研究内容有：1.多尺度、多场耦合、多物质形态混合及具有极端特征（如超大、超柔、刚柔体并存、快慢时间尺度并存等）力学问题的理论建模、计算框架及数值分析方法。2.结构多尺度破坏行为分析的计算力学理论与方法。3.材料 - 结构的多尺度、多目标和多约束优化设计的理论与方法。4.时空多尺度以及多场耦合条件下考虑不确定性因素的计算力学理论与方法。5.与先进计算工具、计算平台和软硬件架构相适应的可扩展的高效数值算法。

8.复杂条件与极端环境下的力学测量方法、技术与设备

复杂条件与极端环境是目前基础研究和工程应用中材料或结构常面对的状态或所处的空间环境。材料在这些超常条件下的力学性能成为各领域关注的核心问题，使得人们意识到深刻理解这一情况下的材料力学性能，不仅是探索材料在复杂和极端环境中的响应及失效机理的基础研究，也是关乎国家战略安全与重大灾害预防的迫切需求。因此，研究复杂条件和极端环境中可靠的力学性能检测方法、技术和设备成为实验固体力学在新时期的优先发展方向。

主要研究内容有：1.复杂环境与多场耦合下的在线测量方法。2. 超高温与氧化环境下的跨尺度材料测量与表征方法。3.微纳米尺度材料与结构测量方法、技术与平台。4.服役结构的健康监测和诊断。5. 海洋工程、大型舰船，以及大型土木工程中的力学测试与监测。6. 生物环境、化学过程等作用下的材料、结构和器件的力学性能测量方法与分析等。

流体力学学科

1.可压缩湍流的生成及演化机理

高超声速技术已经成为 21 世纪航空航天领域的制高点，高速飞行器气动特性预测的关键问题之一是可压缩湍流的生成及演化机理，与飞行器性能的精确预测以及飞行安全和控制紧密相关。可压缩湍流广泛存在于超声速和高超声速飞行器的外流、内流和部件绕流中，发展新型高速飞行器必须开展与高超声速飞行相关的可压缩湍流、流动稳定性与转捩机理研究。

主要研究内容包括：1. 充分认识超声速 / 高超声速条件下的湍流现象，研究湍流的影响因素和产生机理。2. 研究高超声速流动转捩机理、各种不稳定扰动模态的相互作用机理、转捩位置的预测，建立和发展普适性更广的湍流和转捩模型，包括化学反应的燃烧模型，建立有效的转捩预测方法。3. 建立基于湍流机理的流动控制方法，进行湍流抑制或增强，达到对流动分离和非定常现象进行控制的目的。4. 研究与高超声速飞行器构型相关的流动稳定性特性，以及高温引起的气体物性变化对流动稳定性的影响，发展基于流动稳定性理论的转捩预测方法。5. 开展可压缩湍流模式的试验验证及数值模拟研究，准确预测高速飞行器的摩擦阻力和气动热环境。

2.非定常流动的机理及控制

非定常流所要研究的是流动特性随时间变化的物理过程，运动学和动力学特性依赖于各种限制条件和流动的整个历史过程，与工程问题密切相关。物体的非定常运动，经常伴随着流动分离、剪切层和旋涡的产生、演化及相互作用，具有强的非线性特性，出现了一系列重要的流动现象，如动边界及流固耦合、涡与边界层的相互作用机理及演化、流体界面演化与失稳及激波和旋涡共存的复杂流动等。多种因素的相互影响和制约，以及流动控制技术的发展，为实施流动控制和改善流动特性提供了多种可能的方法和途径。

主要研究内容包括：1.动边界及流固耦合的非定常流动特性及其控制，包括运动固体或柔性体边界、主动或被动变形的物体表面等。2. 复杂多介质间界面的演化与失稳，以及介观三相接触线与宏观流动、界面运动间相互作用机理的高精度实验、数值模拟和理论分析。3. 以激波、转捩、湍流和旋涡分离流为主要特征的复杂非定常流动，边界层分离形成的剪切层不稳定性及其发展、尾流剪切层的相互诱导以及射流剪切层的混掺效应等。4.非定常流动的控制方法，通过外加能量形成非定常扰动进行控制，包括与边界层 / 剪切层不稳定性匹配的扰动尺度与频率的选取，可以进行优化或次优化的闭环主动流动控制。5.高机动条件下的非定常流动机理、气动 / 运动的非线性耦合作用机理、气动 / 飞行力学一体化分析与模拟理论。

3.复杂相间作用的多相流

自然界中很多现象都与多相流相关，多相流同样也普遍存在于化工、能源、水利、石油、制造、航空航天、环境保护和生命科学等领域所涉及的问题中。多相流动具有现象与过程复杂、涉及面广和交叉性强等特点。多相流问题归根结底是相间作用问题，主要体现在离散相之间以及离散相与连续相之间的作用。

主要研究内容包括：1. 多相湍流场及稳定性，连续相脉动流动特性的确定，考虑复杂相间作用的湍流封闭模式的研究，离散相对于连续相的作用包括对湍流的抑制、增强和减阻以及稠密情况下的非牛顿效应等。2. 超声速气流与固相颗粒之间的动量、热量传递特性，气固两相流流动特性参数敏感性和对撞的流动特性，典型材料超声速气、固反应中瞬态中间相时空分布和演化机理。3. 沙尘和污染物颗粒与大气表面层高雷诺数壁湍流的相互作用影响规律和机理研究，污染物在大气与水环境中的输运、沉积与控制等。4. 受连续相流场特性制约的离散相动力学特性，离散相对连续相特性的影响以及离散相之间的相互作用。5.连续流体相作用于小于微米尺度的刚性离散相，连续流体相作用于常规尺度下的变形离散相，以及小于微米尺度的离散相间的相互作用。6. 相界面动力学的本质属性，离散相之间的碰撞规律及其对连续相的影响，超常颗粒的动力学模型。

4.空化与强非线性自由表面流动

海洋内航行器的高速化是发展的必然趋势，它已成为水动力学的前沿研究课题。与空中和陆上相比，提速最慢的是水中运载工具，主要受阻力太高的牵制，因此高速水动力学及其相关的科学问题受到高度关注。高速水动力学主要研究涉及多相流、湍流、相变、可压缩性和非定常等物理机制的自然空泡和通气超空泡以及强非线性自由表面效应。

主要研究内容包括：1.建立计及微观群泡动力学特性的宏观空化新模型，获得空化流动内部流体介质的物理特征、空泡形态特征、流动结构、尾部流动特性以及作用在航行体上的流体动力特性。2.建立超空泡稳定性的分析方法和判据，发展超空泡流动研究的实验技术和数值模拟方法，建立机动运动状态下超空泡航行体的动力学模型。3. 建立考虑表面波与发射平台运动等复杂因素的航行体高速带空泡出水过程的水动力学模型，发展流固耦合模型，把握复杂条件下航行体出水的流体动力特性、出水空泡溃灭和冲击载荷的变化规律。4. 发展航行体高速入水冲击和带空泡航行的流体动力特性与姿态控制的实验技术和精细数值模拟方法，突破入水冲击载荷预示技术，建立航行体高速入水空泡演化模型和作用于航行体的水动力载荷模型，把握航行体高速入水非控段航行的水动力学特征和运动姿态。5.建立破碎波、液舱晃荡、甲板上浪和入水砰击等强非线性自由表面水动力学机理及流固耦合分析方法。

5.非牛顿流体的流动与传热传质

在自然界和工程技术界，存在着许多非牛顿流体，它们种类繁多，形态各异，也常被称为复杂流体。同时，随着现代科学技术的发展，如今某些原本被认为是牛顿流体的介质在精细观测或特殊情况下也被发现存在非牛顿流体的特性。非牛顿流体的力学问题普遍存在于与国民经济发展和日常生活密切相关的各个领域，不仅影响工业领域的生产过程、生产效率和产品质量，而且也影响生物医学领域的器械研制、疾病诊断和治疗。

主要发展方向和研究内容为：1. 非牛顿流体的流动稳定性研究，探讨界面失稳、弹性湍流的物理机制以及泥石流和雪崩等重大自然灾害的触变性流体特征，研究航天发动机中非牛顿凝胶推进剂雾化过程中的关键科学问题。2.非牛顿流体新型本构关系模型的研究，深化分数阶微积分在黏弹性流体力学中的应用。3. 研究生理、病理以及临床治疗中的非牛顿流体力学问题，弄清非牛顿效应对生物流体的复杂流动和传热传质的影响。4.研究纳米非牛顿流体、智能流体的流动和传热传质问题，以及微系统、3D 打印和聚合物材料加工过程中的非牛顿流体力学问题。5.非牛顿流体的浸润、流动减阻和热对流的研究，进一步加强非牛顿流体力学在能源领域的应用研究。

6.流场测量新技术和先进分析方法

湍流的实验研究是验证理论和数值模拟结果、揭示新物理现象的重要手段。从实验研究发展现状和趋势来看，流场诊断新技术和先进分析方法是两个重要的发展方向。流场诊断新技术的不断创新，能实现非定常复杂流动测量、极端环境下流动实验测量和多物理量耦合测量，而先进分析方法则针对实验测量存在的特定问题进行数据处理和分析，以提高实验测量的精度和可靠性。

主要研究内容包括：1. 高时空分辨率三维非定常复杂流动速度场测量技术。2. 结合新型流场诊断技术，实现高超声速、高温高焓、超低温环境下以及微小尺度下流动的实验测量。3. 通过声、光、电、核和磁等多方面技术手段，实现受力、速度、温度、压强和密度等流场多物理量的测量及耦合测量，全方位获取流场的物理特性。4.针对实验数据测量误差、随机噪声和时空分辨率等特有问题，结合流体力学理论分析和数值模拟，在提高实验数据精度和可靠性上发展先进的分析方法，并形成有效的三维实验数据的流场显示、旋涡识别和模态分解等技术。5. 建设实验标模湍流数据库，搭建湍流数据库交流平台。

生物力学学科

1.生理系统耦合及跨层次生物力学

在健康和医学领域中的生物力学研究及应用始终是生物力学研究者关注的热点之一。除了在传统的心血管系统、肌骨系统等方面仍然有大量的研究在继续进行外，近年来，呼吸系统、神经系统、感知系统、消化系统和生殖系统等各方面的生物力学研究与应用增长十分迅速。同时，综合考虑多层次、多系统相互影响的多学科交叉研究，已经成为生物力学的重点。

主要研究内容包括： 1.骨关节类疾病、心脑血管疾病发生的生物力学机理及相关诊断和治疗方法。2. 与生理、健康信息相关的生物力学检测原理和技术，特别是运动负荷、跌倒、血压和血流等信息的穿戴式测试技术。3. 基于生物力学建模的虚拟医学、生理系统，康复工程、个体化医疗和手术规划、导航的生物力学新概念、新方法和新技术。4.呼吸系统力学、肝胆及消化系统生物力学。5.生理与病理过程的细胞 - 分子生物力学与力生物学机理。6. 骨骼 - 肌肉与神经系统生物力学及其在运动创伤和康复中的应用。7. 物理因素职业病（减压病等）对于心脑血管、骨肌系统和神经系统等的作用机理及其预防。

2.植介入体与宿主相互作用的生物力学与力生物学

医用植介入体（如人工关节和血管支架）用于修复或替换病变或损伤的人体组织，在医疗器械战略新兴产业中占重要地位。然而 , 这些产品主要依赖进口，且存在如人工关节无菌性脱落、血管支架血栓与再狭窄等亟待解决的设计优化及应用问题。目前国内外有关植介入体与宿主组织相互作用的机理、数值仿真和模拟实验技术还存在很大不足，难以有效支撑植介入体的优化设计和性能评价，已成为制约其临床应用和进一步创新的瓶颈。

主要研究内容包括：1.骨植入体与宿主相互作用的生物力学实验模拟与仿真，及细胞组织跨层次力生物学与生物力学。2. 血管植介入体与血管 / 血液相互作用的生物力学实验模拟与多尺度仿真，及其诱导宿主血管重建的力生物学机制。3. 基于微环境仿生的植介入体与宿主组织细胞相互作用的力生物学实验技术。4.3D 生物打印及个性化植介入体中的生物力学与力生物学。5. 仿生活性生物材料的生物力学与力生物学机制及其在植介入体中的应用。6. 生物组织材料和器官的优化、修复与功能性之间的多尺度力学模型及微纳机理。

力学交叉领域

1.自然环境流动与灾害演化动力学

环境流体力学的研究对象主要是自然环境和灾害问题。当今的环境和灾害问题都是综合性的，且涉及的范围和层次，往往跨越若干时空尺度，产生显著非线性作用和多尺度效应。同时，流动介质十分复杂，大多都是非均匀、非连续和多相多组分的自然介质，流动过程经常导致剧烈的物质、动量和能量输运，并伴随有各种物理、化学和生物子过程。这种显著的复杂介质和多过程耦合特征，也为流体力学的发展带来新的科学挑战。我国的环境流体力学研究，既要注重学科发展面临的科学挑战，又要紧密结合我国环境和灾害防治的实际需求，更加注重机理研究、规律分析与防治措施的有机结合。

主要研究内容包括：1.自然流动的基本理论，包括自然界非牛顿流、多相流和颗粒物质流动的力学特性，大气、水体和岩土体中的复杂流动机理，自然流动的非线性作用和多尺度效应，流动与物理、化学、生物过程的耦合机理。2. 西部干旱环境，包括计及大气边界层高雷诺数效应的风沙流 / 沙尘暴形成和演化过程及其定量预测，沙漠化防治设施及其布局的优化设计和防治效果定量评估的方法，土壤侵蚀的力学机制及流域侵蚀的多尺度动力学模型等。3.重大水环境，包括河流、河口海岸泥沙、污染物输运及其对生态环境的影响，湖泊 / 水库水质污染及富营养化动力学模型。4. 城市大气环境，包括大气污染及扩散输运过程，雾霾形成机理及治理措施，城市热岛效应等。5.重大环境灾害，包括热带气旋、风暴潮、山洪、泥石流的发生机理及预报模型和全球气候变暖等。

2.强动载作用下材料与结构的力学行为

先进战斗部与防护结构的设计是强动载问题研究的重点，截至目前仍然是学科发展的主要牵引力。与此同时，强动载效应作为交通安全、空间碎片防护、高速加工与制造技术等领域的重要科学基础，日益得到广泛的重视。自然界中许多现象的核心动力学过程，都可以通过爆炸力学给予最基本的理解，并能够得到新颖、定量的解释。如“激光爆炸”“力学爆炸”等一切新的现象和概念，也为这一领域的研究开辟了新领地和新方向。强动载效应研究应集中突破极端条件下材料力学性能表征、相变 / 失效 / 碎裂 / 灾变等强非线性过程、多相 / 多场 / 多尺度耦合动力学数值模拟技术以及瞬态高分辨率测试技术等关键科学和技术问题。

主要研究内容包括：1. 新型和先进材料体系的动态力学行为研究，其中重点关注非晶与高熵合金材料、复合材料、岩土、散体体系材料和生物材料等，构建相应的状态方程、本构方程和失效准则。2. 新型超高能装药爆轰研究，重点关注多相非均质爆轰、驱动与抛洒机理、复杂多相混合、湍流燃烧以及反应产物与复杂结构的相互作用等问题。3.复杂侵彻动力学研究，重点关注超高速 / 大型侵彻体与岩土介质的相互作用机制、大侵彻深度下弹道稳定性与相关控制因素以及侵彻体的形状与质量损耗演化及内部装药和器件的可靠性等。4. 结构的爆炸与冲击响应研究，重点关注大型水坝等基础设施，以及高速列车等代表性运载工具的安全性，突破结构的大型化、介质的复杂性、载荷与初变条件的不确定性以及尺度律等问题。5. 制造、加工中的爆炸力学问题研究，以高速、高压、高效和高能加工技术为对象，重点关注加工过程的定量化和工艺参数优化，并发展新的加工原理。6.爆炸力学计算方法与实验技术研究，研发大型爆炸力学工程计算软件和满足爆炸力学基本问题研究需要的科学软件，同时发展更加极端和更加复杂的加载条件、更高时空分辨率的多物理场综合测试手段。

3.材料设计与复杂流动的物理力学

物理力学以量子力学、统计力学、分子动力学、位错动力学和连续介质力学等为代表性手段，开展跨尺度研究，建立介质宏观力学特性与微观结构演化之间的关联。一方面可以弥补极端加载手段和精细观察条件的不足，从理论上获得极端条件下介质的宏观力学性能；另一方面在材料设计、材料高压状态方程、表界面的基本物理特性、非平衡流动、复杂流体及高能束流与物质的相互作用等多个应用领域，对揭示非平衡现象、多场耦合机制、不同尺度结构与性能的关联，具有独特的优势。

主要研究内容有：1. 以高强、高韧、轻质结构材料和满足各种极端服役条件的先进材料为背景，开展材料跨尺度力学行为与材料设计研究，探讨跨越不同尺度的描述方法及突变出现的规律。2. 表面 / 界面物理力学，重点关注多场耦合下“固-液”界面移动接触线问题， “固-固”界面纳微米接触、摩擦、润滑、吸合和黏附等问题，“固 - 生物”界面的生物组织与固体材料表面接触和黏附相互作用。3. 稀薄气体动力学，重点关注近空间飞行环境预报与分子涨落特性、过渡稀薄气体区域的求解等研究。4.微重力流体物理与空间生命科学，重点关注长期微重力环境下的流动、传热、燃烧及空间生命科学问题研究。5. 高能束流与物质的相互作用，重点关注强激光辐照下材料和结构中的能量耦合、瞬态热传导、热应力与热冲击、相变与化学反应及失效行为等复杂多场耦合问题。6. 纳微尺度流动与输运规律、复杂流动与输运现象中的电磁及化学反应耦合等。

4.新型空天飞行器中的关键力学问题

空间成为继陆、海、空之后人类新的活动疆域，深刻地改变着人类的生活方式和观念。近空间（20～100km）在近10年里受到了国际上的广泛关注，提出和发展了一系列打破传统的新型飞行器概念和技术，有可能引发新的军事、民用和技术上的革命。这些新型空天飞行器所面临的服役环境更为苛刻，需要更为高效的气动、控制、能源和动力技术，要求结构效率、耐久性和可靠性更高、抗极端能力更强。这给力学学科带来了新的挑战，主要体现在高超声速空气动力学与材料耦合响应机制、强臭氧 / 紫外辐射 / 高低温 / 环境下材料性能演变机制、新型能源与推进技术、新型热防护和热结构概念、能源 / 结构 / 有效载荷一体化技术、大型复合材料结构气动弹性与主动控制等一系列关键科学问题上，要求流体力学、固体力学、动力学与控制等深入融合，并与材料、工程热物理等进一步交叉，才可能获得创新的概念、方法或技术。

主要研究内容有：1.近空间高超声速飞行和持久驻留服役环境与机体材料的耦合作用机制。2. 新概念机体 / 推进热防护原理和方法。3. 新概念轻质结构与可变机构设计与实现方法。 4. 结构 / 能源 / 有效载荷一体化分析与设计方法。5. 结构健康监测、诊断与自修复方法。6.飞行器结构的气动弹性分析与主动控制。7.刚柔组合体动力学分析与控制方法及新型飞行原理。

本文摘编自国家自然科学基金委员会数学物理科学部编《国家自然科学基金数理科学“十三五”规划战略研究报告》（ 责编：侯俊琳  朱萍萍  郭学雯）第二篇第二章，内容有删减。

国家自然科学基金数理科学“十三五”规划战略研究报告

国家自然科学基金委员会数学物理科学部 编

北京：科学出版社，2016.12

ISBN 978-7-03-051491-2

“十三五”时期是我国全面建成小康社会的关键时期和建设创新型国家的决定性阶段，为科学谋划科学基金的发展，国家自然科学基金委员会于 2014 年 5 月启动了“十三五”规划战略研究工作，这对繁荣基础研究，提升我国原始创新能力和服务创新驱动发展具有重要的战略意义。按照国家自然科学基金委员会战略研究工作方案的部署和要求，数学物理科学部进一步细化了数学物理科学“十三五”规划战略研究，开展了数学物理科学所含数学、力学、天文学和物理学四个学科的“十三五”规划战略研究工作。“十三五”规划战略研究内容包括：学科发展战略、学科优先发展领域、数理科学内部学科交叉优先领域、与其他科学交叉优先领域、实现“十三五”发展战略的政策措施等。

（本期编辑：安静）

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