第53卷第2期2021年2月
力学学报
Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics
Vol. 53, No. 2
Feb”2021
学术会议
超常环境力学领域研究新进展D
一《
力学学报》极端力学专题研讨会综述报告
姜宗林*刘俊丽t，2)苑朝凯*，3)陈海璇+陆夕云**
•(中国科学院力学研宄所高温气体动力学国家重点实验室，北京100190)
t(《力学学报》编辑部，北京100190)
*>(中国科学技术大学近代力学系，合肥230027)
摘要介绍了超常环境力学领域的相关研宄背景，综述了《力学学报》极端力学专题研讨会的学术报告与前沿问
题研讨.以极端力学关注的学科问题为视点，聚焦深海、深空、超高温、超高速等具有国家重大需求背景的研宂
方向，分别介绍了超常环境力学领域的重要成果与最新研宂进展.通过这次会议，《力学学报》编辑部努力探索
一种新的学术交流模式，能够及时将前沿性、基础性的学术成果传递给相关领域的科研人员，从而对相关领域的
工程技术研发起到支撑作用.还对会议涉及的研宄领域进行总结，期望能促进超常环境力学领域的研宄与交流.
关键词极端力学，力学学报，超常环境力学领域，研究进展，研宄展望
中图分类号：035 文献标识码：A doi: 10.6052/0459-1879-20-442
NEW PROGRESS IN THE FIELD OF EXTRAORDINARY ENVIRONMENTAL
MECHANICS — REVIEW OF THE CHINESE JOURNAL OF THEORETICAL
AND APPLIED MECHANICS SYMPOSIUM ON EXTREME MECHANICS*12)
Jiang Zonglin*Liu Junli t,2)Y u a n C h a o k a i*3)C h e n H a i x u a n+L u X i y u n** * (State Key Laboratory of H igh-Temperature Gas Dynamics, Institute of Mechanics, Chinese Academy of S ciences, Beijing100190, China) ^ {Periodical Publishing House of Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, Beijing100190, China)
**{Department of Modern Mechanics, University of Science and Technology of China, Hefei230027, China)
Abstract This article introduces the backg r o u n d k n o w l e d g e of extraordinary environmental m e c h a n i c s a n d reviews the frontier progress in the field of extreme mechanics that w a s reported o n the Chinese Journal of Theoretical a n d Appl i e d M e c h a n i c s (C J T A M)s y m p o s i u m.This article focuses o n research directions that are critical for the national security, such as the d e e p sea,
d e e p space a n d high temperature an d hypersonic flow,a n d introduces the significant achievements 2020-12-21 收稿、2020-12-28 录用，2020-12-30 网络版发表.
1) 中国科学院科学出版基金中文科技期刊择优支持项目资助.
2) 刘俊丽，编审，主要研究方向：力学期刊编辑出版工作• E-mail: ******************
3) 苑朝凯，高级工程师，研究方向：高超声速测量技术.E-mail: ***************
引用格式：姜宗林，刘俊丽，苑朝凯，陈海璇，陆夕云.超常环境力学领域研究新进展—《力学学报》极端力学专题研讨会综述报告.力学 学报，2021，53(2): 589-599
Jiang Zonglin, Liu Junli, Yuan Chaokai, Chen Haixuan, Lu Xiyun. New progress in the field of extraordinary environmental mechanics
—Review of the Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics symposium on extreme mechanics. Chinese Journal of
___________Theoretical and Applied Mechanics,2021,53(2): 589-599______________________________________________________________
590力 学学报2021年第53卷
a n d the latest research progress in the field of extraordinary environmental m e c h a n i c s.T h r o u g h this conference,the editorial department of C J T A M is exploring a n e w c o m m u n i c a t i o n m o d e,w h i c h can timely c o n v e y the cutting-edge and groundbreaking achievements to researchers,thus supporting the research a n d d e v e l o p m e n t in related engineering and technology fields.This article also s u m m a r i z e s the research fields involved in the s y m p o s i u m,hoping to prom o t e research an d c o m m u n i c a t i o n within the field of extraordinary environmental m e c h a n i c s.
K e y w o r d s extreme m e c h a n i c s,Chinese Journal of Theoretical a n d Applied M e c h a n i c s,field of extraordinary environ­mental m e c h a n i c s,research progress,research prospects
i领域背景与会议概况
进入21世纪以来，伴随着科学技术和国民经济 的快速发展，力学学科进入了一个新的发展时期，在 研究的广度和深度上都发生了深刻的变化，与重大 需求协同发展成为当前力学发展的基本趋势.随着 力学与重大工程的结合越来越紧密，尖端技术发展 使得力学系统部分或整体面临超高温、超高速、超 高压、深海和深空等超常服役环境，涉及到了物理、化学、微尺度和超大结构等多过程耦合与多学科交 叉
问题，表现出以非平衡、非线性、多尺度的力学行 为.根据超常环境下极端力学的学科特征，配合新时 期“上天、入地、下海”的国家工程技术发展需求，积 极开展极端力学领域新问题、新现象、新规律和新 理论的研宄，为国民经济的可持续发展提供坚实的 科学支撑，就具有非常重大的意义.
2020年I I月7~8日，超常环境力学领域学术 报告会暨《力学学报》(中英文版)极端力学专题研讨 会在中国科学院力学研宄所召开.本次会议由中国
科学院力学研究所主办，中国科学院复杂系统力学 卓越创新中心（以下简称卓越中心)、《Act a M e c h a n-
i c aSinica》及《力学学报》共同承办.《力学学报》主编、中国科学技术大学陆夕云院士担任会议主席，
《力学学报》副主编、中国科学院力学研究所姜宗林
研究员担任会议执行主席.中国科学院力学研究所李
家春院士，中国力学学会副监事长、中国科学院力学
研究所副所长魏炳忱研究员，卓越中心主任魏宇杰
研究员，中国科学技术大学副校长罗喜胜教授，中国
科学院大学工学院副院长倪明玖教授等出席了此次
会议.本次会议采用线上与线下相结合的方式开展，参会人数共计130余人.
会议开幕式由姜宗林研究员主持，李家春院士、
魏炳忱副所长分别为本次会议致辞.李家春院士在
致辞中强调，本次会议不仅展示了复杂系统力学卓越中心的中青年团队近期研宄的新进展，而且通过这种 会议与《力学学报》紧密结合的新模式，也有利于创 新成果在力学界的传播与交流.魏炳忱副所长在致 辞中肯定了在卓越中心发展的关键时期，围绕极端 力学专题，召开此次会议的重要性.强调了这次会议 既是对卓越中心前阶段所取得成果的总结，也是对 其未来所开展工作的规划.姜宗林研究员介绍道，这 次会议的名称为《超常环境力学领域学术报告会暨 《力学学报》（中英文版）极端力学专题研讨会》，其 中包含三个意思.第一是中国科学院复杂系统力学 卓越创新中心超常环境力学领域的年度学术报告会，主要目的是总结研宄进展，强化学术交流、谋划协调 发展，以推动超常环境力学领域的研究进展.第二是 响应郑晓静院士关于极端力学的倡导.极端力学就 像一面旗帜，让国内学术界对力学的范畴有更简洁、明确和深刻的认识.极端力学来自于超常环境服役，相对传统力学有新现象、新规律、甚至新的
本构方 程，是力学领域的学科前沿.极端力学是由郑晓静院 士在2019年提出的，她将极端力学定义为“研究物 质在极端服役条件下的极端性能和响应规律”m，极 端力学作为新的学科发展方向己被列入科技部中长 期发展规划.第三是通过此次专题研讨会，探讨学报 和会议合作的新模式，为《力学学报》（中英文版）提 供一些高质量的学术文章，增加《力学学报》的展示 度，同时鼓励、推动超常环境领域的力学研究.
会议根据深海、深空、高温、高速等方向的研宄 进展，安排了 15个学术报告，分4个时段进行，分别 由罗喜胜教授、高福平研宄员、康琦研究员和周济 福研宄员担任会议主持，展示了超常环境领域的最 新进展.
2深海方向的研究进展
深海作为人类生存与发展战略的新疆域，关系
第2期姜宗林等：超常环境力学领域研究新进展
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生命起源、气候变化、地球演化、能源开发等重大科 学问题，另外深海空间的巨大资源潜力和环境服务 价值日益受到关注，所以深海开发是中国及世界海 洋大国应对全球战略格局调整和引领新一轮经济转
型发展的重大举措，相关力学问题的研究需要予以 高度重视.
2.1南海深水区表层沉积物的物理和力学特性
深水海底管道结构稳定性面临着超常的油气输 运工况、水动力环境以及海床沉积条件带来的挑战， 表现为:（1)海底管道在深水海域处于高温高压的超 常输运环境，结构热屈曲成为主要的失稳模式之一. 对于长输管道而言，在位失稳、涡激振动、结构热屈 曲等多种失稳模式共存且相互竞争.（2)在浅水海域， 波浪和海流是主要的环境载荷；随着水深增加，海面 重力波浪对海底的影响逐渐减弱，海底洋流和浊流 成为主要的水动力荷载.（3)有机质软黏土和粉土是 中国南海深水区的主要沉积物类型，但人们对其物 理和力学特性的认识尚不够深入.
高福平研宄员以“南海深水区表层沉积物的物 理和力学特性”为题，介绍了相关前期研宄工作，包 括推导出的预测海底管道地基极限承载力的塑性滑 移线场理论解12]；基于相似理论和水槽实验观测，探 宄了管道在升速和降速海流作用过程中的涡激振动 迟滞效应及影响规律|3]；揭示了海底管道在砂质海床 上发生侧向失稳的流固土耦合机理|4]，并发现管道侧 向失稳与土体渗透破坏诱发管道悬空之间存在竞争 机制[51.高福平研究员重点论述了两个方面的最新 研究进展：
(1)
针对中国南海北部海域某深水区采集的海床
表层沉积物柱状样，进行了微观物理和宏观力学性质
分析，确定了沉积物的主要化学成分.研究表明该深
水区沉积物多为有机质软黏土，具有高微生物含量、 高孔隙率、超低强度等典型特性，却通常表现出超固 结土的特征.
(2)
基于管道结构热屈曲经典解析模型和可靠度
理论，通过蒙特卡洛模拟开展了管道侧向整体屈曲的 可靠度分析.分析发现，管土轴向摩阻的变异性可增 大管道轴向走管概率；当管土轴向摩阻满足正态分 布时，管道在大陆坡斜坡海床条件下的走管速度呈 非对称概率分布，其变异系数高于轴向摩阻的变异
系数值.管道发生侧向热屈曲的临界温度、屈曲波 长、侧向位移幅值及截面压应力的变异性均小于管 土侧向临界阻力的变异性.基于确定性分析方法设 计的海底管道依然面临高概率的结构屈曲风险.
2.2深海资源提升系统的流固耦合研究
深海资源开发是解决能源问题的一个重要领域， 深海资源提升系统是深海开发的必备工程结构，其 运行安全可靠性涉及深海水动力环境、大长径比结 构及其与复杂内外流的相互作用，包括：大幅内孤立 波发生演化规律及其对结构的水动力载荷、粗颗粒 固液两相内流运动规律及其对结构的作用力、外流 结构内流的流固耦合机理等.
周济福研宄员以“深海资源提升系统的流固耦 合研宄”为题，介绍了相关前期研宄工作，包括建立 了内孤立波在真实海洋环境中传播演化的理论和数 值模型，研宄了海洋内孤立波的分裂演化规律及其 对柔性构件的作用机理，重点关注了立管和半潜平 台在内孤立波作用下的动力响应【6-81.并且基于含内 流立管振动方程和半经验水动力模型，研究了不同 内流速度和密度对顶张力立管涡激振动响应的影响 规律l 9].周济福研究员近一步论述了 3个方面的最 新研宄进展：
(1)
考虑真实海洋环境，开展了南海内孤立波波
幅演化规律的研宄，提出了定量刻画浅化效应和摩 擦效应相对重要性的无量纲参数，可以很好地表征 内孤立波波幅演化与地形变化的关系，据此可判断 南海不同区域内孤立波波幅变化的规律.
(2)
建立了顶张力立管和悬链线立管在内孤立波
作用下的有限元模型，研究了两种立管的动力响应特 征及立管的最大位移和最大弯矩的影响因素.
(3) 针对大长细比顶张式海洋立管，基于含内流
立管振动控制方程和半经验时域水动力模型，研究
了均匀和剪切外流作用下含稳定内流的顶张力海洋 立管的涡激振动响应，获得了内流速度和密度对立
管涡激振动响应参数的影响规律.2.3深海天然气水合物分解引地层安全性研究
深海天然气水合物是我国的战略能源，赋存于 海底大陆坡浅层欠固结的地层.水合物开发与常规 油气的本质区别在于相变，开采不当极易引起土层
592力202丨年第53卷
学学报软化与超压形成，导致地层与结构破坏，甚至海底滑 塌、甲烷泄漏等灾害.岩土破坏、结构失稳机制研究 包含水合物、土、气体和水多相，涉及相变、传热、渗 流、地层应力传播多效应耦合.
张旭辉副研究员以“深海天然气水合物分解引 地层安全性研究”为题，介绍了相关前期研宄工作， 获得了
中国南海水合物相变土层响应分析的力学参 数及本构模型并在实验室发现了土层分层、气 体喷发、土层滑塌的地层破坏现象，发现了含相变热 传导、渗流、地层应力传播4种物理效应的特征时 间相差3个数量级以上，提出了解耦分析方法，建立 了基于多重时间尺度的简化分析模型，给出了破坏 发生的临界条件[n_121，回答了深海浅层水合物开发 这些灾害什么条件发生及如何防范的问题.张旭辉 副研究员重点论述了两个方面的最新研宄进展：
(1)
考虑宏微观的含相变岩土力学本构模型，揭
示天然气水合物相变与土体骨架的微观作用机制并 建立相应的本构关系模型，获得相变、裂隙开裂扩展 等过程的流固耦合机制
(2)
深入阐明多孔介质中相变、热传导、多相渗 流、地层变形与破坏相互作用机制，揭示从实验室尺 度、工程尺度到区域尺度土层变形、失稳的关联以 及固体破坏向多相流动的发展规律，紧密结合现场 试采及商业化开发工程，为天然气水合物开发安全 与环境保护提供理论依据.
3深空方向的研究进展
在深空探索领域，微重力流体物理是一个基础性
和应用性都很强的研究方向.微重力流体物理关注微 重力条件下流体流动的物理现象，探索空间环境中流 体的宏观、微观运动，扩散过程及传热、传质的基本 规律.“天宫二号”任务搭载液桥热毛细对流实验，对 空间环境流体的流动和耗散机理进行更深入的基础 研宄，对人类认识和掌握空间流体的运动规律有重 要意义.
3.1空间热对流转捩
热对流是自然界中最常见的自然对流，地面热 对流以浮力驱动流为主导，空间热对流主要以表面 张力驱动流为主导.微重力环境是典型的超常环境， 应用空间热对流开展流动转捩问题研究，作用力的
改变延展了层流到湍流转捩的时空尺度，可以观测 新现象、发现新问题、探索新规律，拓展通向湍流过 程的研究，实现从机制到机理的认识.
康琦研究员以“空间热对流转捩”为题，介绍了 相关前期在“实践十号”（S J -10)返回式科学实验卫 星上开展的环状流空间实验||5#]，以及在载人航天 “天宫二号’’ (T G -2)飞船上开展的液桥热对流空间实 验1|7_181.康琦研宄员报告了 3个方面的研究进展：
(1) 空间实验验证了空间热对流临界条件的体积 比效应，发现了几何参数新效应及多次转捩新机制；(2)
探索了流动模式转换及热流体波的竞争与传 播规律，给出波的转换图谱；
(3)
分析了热毛细流动体系通向混沌的分岔道
路，包括准周期、拍现象、锁频、倍周期、阵发性、 倒分岔、以及各种丰富的耦合分岔.
3.2微(低）重力环境下的沸腾传热及其重力标度
规律
沸腾过程因相变潜热的释放有着极强的传热能 力，是广泛存在于日常生活并应用于工业过程中的一
种高效热传输方式和技术.沸腾过程中，液气相变、 相间作用、湍流等因素与过程紧密间耦合，导致相应 流动和传热现象极为复杂，迄今沸腾传热理论仍不免 存在显著的经验特，且往往基于地面常重力环境实 验结果，无法将重力作为独立变量进行控制和比较研 究.利用微重力环境将重力隔离，探究重力在沸腾过 程中的作用机制，并寻求对重力效应的正确表征，是 目前微重力科学研宄的重要前沿和热点之一.
赵建福研究员以“微（低）重力环境下的沸腾传 热及其重力标度规律”为题，介绍了相关前期利用中 国第22颗返回式卫星、“实践八号”(S J -8)卫星、“实 践十号”（S J -10)卫星以及北京落塔等，开展的多个 系列微重力池沸腾传热实验研究[19_2G 1，并分别基于 连续介质模型和格子玻尔兹曼（Lattice -B o l t z m a n n )方 法，开展了沸腾传热数值模拟|21_221.系统梳理了核态 池沸腾传热重力标度规律中不同形式的重力标度指 数的物理意义，为构建适用性广泛的重力标度模型 提供了一个明晰的理论框架|23].赵建福研究员进一 步论述了两个方面的研究进展：
(1)微重力和常重力条件下丝状、光滑平板和方 柱微结构表面沸腾传热与气泡动力学行为实验数据 揭示了重力水平、系统压力、液体过冷度等因素对
第2期姜宗林等：超常环境力学领域研宄新进展593
沸腾过程的影响，采用局部过热激发形成时空定位 准确的微重力单气泡沸腾过程，测量得到的气泡生 长过程及气泡底部加热面温度场演化为进一步研究 提供了可靠基准.
(2)数值模拟了不同重力条件下核态池沸腾传热 及生长气泡动力学特性，确认在低热流密度条件下存 在分别由重力或表面张力主导的沸腾区，得到相应的 分区判据；在重力主导的沸腾区，传热系数的重力标 度指数接近R o h s e n o w 关联式的预测结果，气泡脱落 直径及其脱落频率分别与Fritz 模型及M a l e n k o v 模 型相符.
3.3蒸发液滴中的物质输运动力学与粒子组装行为
在空间制造过程中，尤其是基于功能墨水材料 的太空打印，面临微重力下复杂的固-液界面相互作 用规律，例如复杂流体的界面撞击、润湿、铺展及流 动控制问题，这直接决定了打印质量和精度.另外，墨 水材料的固化成型与打印结构的功能及性能高度关 联，而这又与微重力下复杂流体的物质输运动力学， 非平衡相变过程及自组装行为密切相关.
王育人研宄员以“蒸发液滴中的物质输运动力 学与粒子组装行为”为题，介绍了相关前期研宄工 作，包括针对太空打印中的界面流动控制和蒸发固 化成型问题，基于“实践十号”卫星开展了天地实验
研究[241，科学上突破了蒸发液滴中多物理效应协同 和竞争下的粒子输运动力学与组装行为[251，实现基 于单个液滴的图案形貌调控与有序结构构筑126]，技 术上实现了微重力环境下基于图案化浸润性表面的 液滴操控与复杂流体在轨管理王育人研宄员汇 报了 3个方面的最新研究进展：
(1)
研讨会英文
阐明了多物理效应（界面运动、重力沉降与 毛细流动）协同下的粒子输运动力学，揭示了蒸发去 浸润效应驱动的“咖啡环”内部网络状图案的形成 机制.
(2)
基于单液滴体系开展图案调控与有序结构构 筑，通过液体基底实现均匀有序结构的组装和制备, 通过微纳多孔基底实现大尺寸有序结构的快速制备.
(3)
首次基于图案化浸润表面实现液滴的空间操 控验证，揭示了微重力下图案化表面的液滴形状演化 规律与浸润行为，表明超浸润图案化技术对大尺寸液 滴具有优越的钉扎及控制能力.
4高温与高超声速方向的研究进展
高温与高超声速流动是气体动力学的前沿学科，
重点关注高速气体流动中，高温所引起的气体各种 物理化学变化、能量传递和转化规律.高温与高超声 速气体动力学的主要特征是：气体比热不再是常数， 在很多情况下，完全气体状态方程不再适用；流动中 的传热、扩散、化学反应、电磁和辐射效应显著，不 能忽略；该学科是气体动力学、热力学、统计物理、 分子物理、化学动力学以及电磁学的交叉融合.该研 宄方向重点探索在高超声速气体流动中，气体分子 内部各种能级的激发和电离、离解、化学反应等物 理化学变化的规律以及伴随有这些变化的能量转移 和热量传递规律.
4.1极端环境下液态锂铅包层研究进展
磁约束核聚变堆液态锂铅包层数值模拟面临的 关键问题主要包括：（1)极端条件下（强磁场、大温 差)，数值方法及计算平台的发展，需保证聚变环境极 端条件下液态金属磁流体力学的精确高效求解；（2) 极端条件下完整包层模块内液态金属湍流的直接数 值模拟.实际液态包层结构非常复杂，包含了突扩管 道、分流管道、90°弯管、U 型通道以及突缩管道等 部件，同时入口速度高、体积热源大、约束磁场强，因 此其中的流动机制非常丰富，内在机理非常复杂，而 先进液态包层的流道插件进一步增加了结构及流动 的复杂性.对全尺寸包层模块进行直接数值模拟是 一项极具挑战的工作，目前国内外尚无先例.
倪明玖教授以“极端环境下液态锂铅包层研宄 进展”为题，介绍了相关前期研究工作，包括发展了
精确计算强磁场作用下M H D 的相容守恒格式W ],
完成了软件平台M H D -U C A S 的搭建，此平台能实现
“磁-热-流-固”多区域多物理场的精确耦合求解，
并行效率高.基于该平台，以液态锂铅包层为背景，
分析了流道插件对于竖直管道（包层部件）内压降、
温度、结构应力应变的影响l 29].在国际上首次实现
了 W
a
约为104，办约为丨05完整液态包层模块内磁
流体运动的直接数值模拟，着重分析了流道插件对
于压力分布，流量分布的影响
倪明玖教授重点论述了对磁约束聚变堆极端条 件下（//a 约为104, G
r
约为1011，办约为105)液态
包层全尺寸热流问题分析，结果表明：绝缘壁情况下，