近期，北京大学颜大椿教授编著的《实验流体力学（第三版）》在北京大学出版社出版。本次分享的是颜大椿教授和他的《实验流体力学》的一些故事。

颜大椿，北京大学教授，博士生导师。实验流体力学学科带头人，改革开放后首批赴美访问学者。1955年由北京外语学院留苏预备部转北京大学数学力学系，1958年留校工作，负责我国首座大型低速风洞性能校测及我国首批战机的低速风洞实验。1962年在哈尔滨军事工程学院进修实验技术。1972年在周培源先生领导下开展湍流在国计民生中重大课题的学科调查。1978年起先后在霍普金斯大学、马里兰大学进修湍流实验的数字化测量和风洞测量技术。1980年受聘在休斯敦大学合作研究湍射流的大尺度结构，与南加州大学的专家学者，研究湍流重大世纪性论争中周培源湍流学派和Lighthill学派关于湍流声产生机制的重大区别。在访问期间和美国Laufer教授合作在湍流声发射方面做出了重要成果，被国际上称为Laufer-Yan实验。

颜大椿教授是我国为数不多的对湍流有深入研究的学者之一。他对我国著名学者周培源和钱学森在流体力学和湍流方面的研究有深入的了解。主要研究方向为周培源湍流理论关于湍流的本质、湍流的主要特性、湍流和混沌的随机运动特点以及多相湍流。

名家云集的北大数力系与风洞

1955年，颜大椿从北京外语学院留苏预备部保送到北大数学力学系，彼时之北大，正值大发展时期。当时数学力学系名师云集，建系初年，董铁宝、周光炯、王仁，孙天风先生等学者先后回国，投身到北京大学力学专业的创办中。这些优秀的教师们带领年轻的学生走进学术殿堂，在传授知识的过程中点燃他们思想的火花。周培源先生讲授“理论力学与湍流”，他习惯用爱因斯坦张量符号讲理论力学，常常听得同学们一头雾水，但细心体会就发现这一符号确是研究湍流的有效工具。他讲述了湍流有声产生机制，在以后数十年的研究中，颜大椿逐渐认识到这正是周培源先生理论的精髓。

颜大椿在大三后就参与大风洞的工作，之后回系里继续念书，到大五时提前毕业，以教师的身份正式参加工作。接触大风洞期间，他从学生身份转换到教师身份。1958年，他负责大风洞的流场校测，要在全国航空学会上报告实验结果。这是我国第一座大型风洞，按钱学森规划用于非定常机翼、层流翼型和边界层控制等湍流和空气动力学基础研究。留校工作后，颜大椿负责我国自行设计的第一批战斗机的风洞实验并主管流体力学实验教学工作。在这一时期，颜大椿逐渐明确了自己决心从事实验研究的大方向，将实验教学和学科探索设定为人生的主要目标。

做流体力学实验，总难离风洞。北大的风洞，经历过军工实验、研究实验，也承担过教学功能。

中国航空航天事业在50年代迅速发展，北大力学系是当时全国唯一的力学专业，建系人员重视实验，风洞建设早就提上了日程。初时，周培源先生担任流体力学教研室的主任，有心建设风洞。鉴于中国的钢产量低下，苏联专家别洛娃建议做一米左右的风洞即可。1955年，钱学森先生回国，北大的风洞建设也请他来规划，预计建设大型低速风洞和超音速风洞。为了培养实验人才，1957年，钱学森先生开办风洞设计班，留下一部宝贵的资料集——《低速风洞设计手册》。当年的学风严谨，风洞的具体设计均通过正规计算得到。风洞的建设，还包含了北大学子的辛苦劳作。念书，造风洞，做实验，可谓是当时生活的主旋律。

1958年，北大建成了全国第一个大型低速风洞，为后期飞机的研发制造做出了不朽的贡献。大风洞运行后，即进行经典的圆球阻力危机和湍流声辐射实验，然后由流体教学实验室和水力学实验室安排教学实验。大风洞的1/4模型风洞有二元闭口和三元开口实验段交替使用，做机翼和边界层实验。

北京大学校方于1969年10月将北京大学数学力学系的力学专业与技术物理系、无线电系一起迁到陕西汉中地区。颜大椿跟随力学系到汉中，规划的汉中分校，由周培源先生亲自选址，就在半山腰上。到了汉中，依然建立流体实验室，设计建造了约3/8比例的二元风洞和三元开口风洞。

我国第一座大型风洞中的全机动力学实验

1973年，林家翘、杨振宁等人回国后，曾向北大力学系提出意见，说明要坚持基础理论研究。周培源先生组织孙天风教授和颜大椿、符致福以“湍流在国计民生重大课题中的应用”为题作广泛的社会调查，了解新的流体力学发展情况。气象学大师叶笃正先生建议北大开展大气环境中地表加热冷却的湍流扩散的研究。随即在大风洞作了关于大气边界层湍流结构的风洞模拟及大气扩散和风工程研究。

访问出国，带着任务去学习

20世纪70年代，周培源先生曾率团到美国访问交流，美国方面同意在双方尚未建交的条件下，接待中国来的访问学者。1978年，周培源先生推荐颜大椿为首批赴美访问学者。他犹记得当时周培源先生交待的任务，一是深入调研，获得湍流研究发展的近况和主要趋势；二是调研美国关于实验研究方面的最新技术。颜大椿在霍普金斯大学、休斯顿大学和南加州大学进修，与当时美国流体力学的顶级学者共事，交流访学。

周培源理论指出湍流的本质是波，并首次解决了湍流封闭问题，与德英美俄以涡为模型的湍流四大学派的泰斗形成世纪之争，实验研究成为湍流深入研究的重中之重。在南加州大学，颜大椿跟随Laufer教授研究湍流声产生机制，将周培源的湍流理论与在国际学术界得到广泛认同的权威性的气动声学的Lighthill声类比理论逐项对比。实验工作包括以下四项：证明湍流中有行波驻波，分别具有对流和非对流特性，但涡不具有非对流成分；湍流中脉动雷诺应力是脉动压力场的驱动项，但Lighthill理论中是声辐射场的声源项；用实测的脉动雷诺应力按Lighthill理论计算声场仅为实测值的亿万分之一；用实测的脉动雷诺应力按周培源理论得到脉动压力场作为声源项计算声场与实测值相比不足一奈培之差。前三项实验证明Lighthill理论只是NS方程的重组，而声源是射流中的压力场。最后一项比较是一个多因子实验，在回国十余年后陆续完成并在《中国科学》发表。这些实验结果是上述的“世纪之争”中对周培源湍流理论最有力的支持，成果先进卓越。

《实验流体力学》获国家教委第三届高等学校优秀教材二等奖

回到北大，颜大椿教授继续投身教学与研究工作。一方面向国内介绍美国湍流发展的情况，用英语开设博士班的课程，在国家教委理科教指委安排下，总结整理留美时积累的资料，著成《实验流体力学》第一版；另一方面，学习南加州大学先进的图像处理技术，包括数字化测量技术、数字图像测量技术和智能化测量技术等，改善提升北大的实验技术。

《实验流体力学》第一版（1992年）是颜大椿教授作为赴美访问学者归国后，按国家教委教学指导委员会理科组要求对国际上实验流体力学的发展，特别是近三十年来在光学电学测量和数字化测量技术及图像处理技术的飞速进展，以及实验流体力学各分支的发展概况，作系统和简要的介绍。

第二版（2019年）补充了颜大椿教授留学期间关于湍流声产生机制的研究成果，证明当时广为流行的莱特希尔声类比理论中以脉动雷诺应力为声源项并无声辐射，而真正的声源项是脉动压力场，脉动雷诺应力应是周培源湍流理论中脉动压力的驱动项。

第三版（2024年）增加了湍流篇，着重介绍了周培源湍流统计理论的学术成就，得到现今国际上各家湍流统计理论中独一无二的准确解;并在周培源-钱学森实验中证实以脉动压力主导的强湍流和通过调节得到各种不同湍流特性的流动和周培源理论在大量的工程实践中不同湍流特性的应用。具体内容为：一、周培源湍流理论的实验研究，即关于湍流的本质和分类的实验研究；二、 热湍流、逆转捩和离散相湍流，这是周培源理论在上述领域中的应用；三、 风工程、虎门悬索桥风振、台风谱，周培源先生于1972年学科调查后的相关湍流实验研究成果。新增内容为对周培源湍流理论的相关实验研究。

周培源湍流理论

周培源理论和西方各家学说不同，研究湍流的统计特性但不研究“湍流的基本物理过程”。从动力学方程得到的湍流脉动方程出发，得到脉动速度各阶相关量的统计学方程，证明在平均流场已知条件下的湍流脉动符合正态分布条件，湍流流动中脉动动速度的各阶相关量可由脉动压力梯度和脉动速度的互相关量确定。

将互相关量表示成脉动速度和脉动压力的互谱和相位角，则各种特性的湍流流动可以在相平面中找到它们的准确位置。若湍流在相平面中的位置在实轴上，则是各向同性湍流，脉动压力与脉动速度的相关量为零;若在虚轴上，则是以压力脉动为主的强湍流。

周培源-钱学森实验

1952年周培源先生在北大创办我国第一个力学专业学科。1955年钱学森先生回国后，按国家十二年科学规划，在北大建造我国第一座大型湍流风洞。1958年建成后在流场校测中实验段风速到每秒45米以上，实验段气流由湍流度仅万分之五的平稳的流动转化为以脉动压力为主导的强湍流，实验段流场数米外人体无法接近，形成两种性质完全不同的湍流。这是西方湍流理论中一时无人能解的。在实验段和收缩段接口处沿周向均匀分布地安装12块插板插入气流，调整车的深度，控制脉动压力和脉动速度的互相关量和相位角，使气流恢复平稳，实现百年来湍流理论和实验中两种不同湍流特性间的转换的第一次大型实验，成为周培源湍流理论的有力证明。关于以脉动压力为主的湍流，此前未见有相应的报导。此后数十年间风洞主要用于战机模型实验和风工程实验，但12块插板为我国力学界最负盛名的周培源先生和钱学森先生两位泰斗所设，至今未改。现由国家历史博物馆收藏展出。 

图为1973年完成大气边界层风洞模拟的实验装置，12块插板清晰可见

在和北航合作的歼六机地面效应实验时在大攻角近地面的条件下机翼背风面出现以脉动压力为主导的强湍流流动，模型升力大幅度增长，随之锐降，反映湍流分离流中湍流流动特性发生变化。

湍流在国计民生重大课题中的应用

1973年周培源先生按中央要求搞好基础理论研究，组织“湍流在国计民生重大课题中的应用”的学科调研。

在氧气顶吹炼钢的模拟实验中证明，以脉动速度为主的冲击射流液面呈碗状凹陷，而以脉动压力为主的冲击射流的液面呈囊状，气体穿透液面后形成无数小气泡迅速在整个容器的液体中扩散。

在大气边界层的风洞模拟实验中，对给定点的脉动压力用泊松方程的特解表示，用该点和流场各点脉动速度的时-空互相关量的体积分模拟大气边界层中脉动压力和脉动速度的相关量，得到千分之一的大气边界层的风洞模型，在相同缩尺比的大型冷却塔模型上得到和原型一致的超临界状态的周向压力分布。用这种大气边界层的,湍流模拟作为我们风工程研究的基础。

在热湍流和离散相湍流的实验中由于运动方程不同，分别用雷诺应力和间隙率的统计特性研究流态的变化。

从教五十年，踏踏实实为求学，兢兢业业为授业。当研究工作成为一种常态，惯性的力量便渗透到生命的骨髓中，即便是退休了，颜大椿教授依然痴心于科学实验，生命不息，工作不止，永远呈现向上的积极的忙碌的姿态，这岂非北大力学系之精神所在？

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