力学学科发展与科学基金形势

“流体力学基础问题研究进展高级讲习班”力学学科发展与科学基金形势孟庆国国家自然科学基金委员会数理科学部2010年8月19日，合肥[e-mail],010-62326913报告提纲一、力学学科发展状况一、力学学科发展状况二、科学基金形势三、思考与措施四、问题与建议（一）力学学科的定义（一）力学学科的定义（二）力学学科的战略地位（二）力学学科的战略地位（三）力学学科的特点（三）力学学科的特点（四）力学学科的分支领域（四）力学学科的分支领域（五）力学学科优先发展领域（六）力学学科重大交叉领域一、力学学科发展状况一、力学学科发展状况（一）力学学科的定义（一）力学学科的定义z力学是关于力、运动及其关系的科学。z力学研究自然界和工程中介质变形、流动的宏-微观行为，揭示机械运动及其与物理、化学、生物学过程的相互作用规律。z力学为人类认识自然和生命现象、开拓工程设计提供理论和方法，是人类科学知识体系的重要组成部分，对科学技术的发展具有重要的引领、支撑和推动作用。力学学科定义的变革¾力学是研究力及其运动规律的科学，是研究宏观问题的学问。《国家自然科学基金委员会项目申请指南》，1986¾力学是研究物质机械运动规律的科学。《力学》，自然科学学科发展战略调研报告，基金委，1997¾力学是研究力与运动的科学。《中国基础科学发展报告》，科技部、基金委，2001¾力学研究力与运动的基本规律和实际应用，它是科学进展与重大工程技术的桥梁。《国家中长期发展规划》，2005（二）力学学科的战略地位（二）力学学科的战略地位z力学作为一门基础学科，是人类认识自然、增长知识、促进文明的重要源泉；z力学源于认识自然规律和发展工程技术的追求，是人类适应自然、促进经济和社会发展的重要力量；z力学对我国科学和技术进步、经济和社会发展以及国家安全做出了突出贡献；z我国力学研究在国际力学界具有重要地位，在国际学术交流中产生了广泛影响。（三）力学学科的特点（三）力学学科的特点z力学是一个基础学科，受学科自身发展和国家需求的双重驱动，即“双力驱动”；z力学具有不断开拓新的研究领域的能力，学科交叉突出；z机理化、定量化地认识自然与工程。¾与数学不同，力学以自然和工程中的实际事物作为研究的出发点和应用对象；¾与物理不同，力学侧重于研究宏观尺度上呈现的机械运动规律，并上溯其巨观表现，下寻其细微观基础；¾与工程技术不同，力学研究更侧重于发掘蕴含在工程之中的基本规律和定量的设计准则。（三）力学学科的特点（三）力学学科的特点学科发展zz宏观尺度宏观尺度zz单一力场单一力场zz常规条件常规条件zz力学学科力学学科zz宏、微、纳米多尺度宏、微、纳米多尺度zz力、热、电、磁多场耦合力、热、电、磁多场耦合zz高温、高速、高压等超常条件高温、高速、高压等超常条件zz力学、物理、材料多学科交叉力学、物理、材料多学科交叉国家需求（三）力学学科的特点（三）力学学科的特点z力学学科在其成长的过程中，表现出非常明显的发展规律。¾首先是“观察、实验、理论”的科学研究方法三部曲，这是力学家、天文学家伽利略创建的，经牛顿等人的继承、弘扬和发展。它体现了力学的科学研究方法论和基础学科的内涵，成为力学基础研究的主线。¾同时，力学在其发展过程中，进一步形成了“实验观测、理论分析、力学建模、数值计算”相结合的研究方法和学术风格，十分有利于深化对实际问题中基本规律的认识。¾力学家善于应用理论和实验相结合的方法，由表象到本质，由现象到机理，由定性到定量，解决自然科学和工程技术中的关键科学问题。（三）力学学科的特点（三）力学学科的特点z中国力学是伴随新中国成长而成长的，是伴随我国国民经济和国防建设发展而发展的。z中国力学总体水平在不断提高，在国际竞争中的地位不断增强。体现在：¾基础研究的一些优势研究领域的特色¾与国家重大需求的结合¾对国防建设和重大工程应用的支撑¾SCI论文数量¾在国际学术组织中的作用流体力学学科的特点z定义：流体力学是研究流体介质的特性、状态以及在各种力的作用下发生的流动和质量、动量、能量传输以及同其它运动形式间相互作用的力学分支学科。z在各种复杂流动问题中，非定常、强间断、非平衡、多尺度、多场耦合、强非线性、各向异性等是当今流体力学的基本特征。流体力学学科的特点（1）流体力学是渗透力强、介入的学科群广泛、对其他学科牵引作用大的学科。¾与流体力学密切相关的有：数学、天体物理、地球物理、核物理、大气物理、水文、航空航天、车辆、船舶、机械、化工、材料、生命科学、仿生、环保，等等。¾流体力学对数学的推动作用是非常强的，历史上许多著名的数学家也是流体力学家。计算机科学的发展也受到了计算流体力学的推动。流体力学学科的特点（2）流体力学是一门经典而又具现代发展的学科。¾一个十分有特点的例子是：阿基米德原理似乎很古老，但当静力学原理被用来揭示一些水上昆虫的超浮力机制时，阿基米德原理又有了新的内涵。¾如1998年Keller在PhysicsofFluids上发表了部分浸入水里的物体所受浮力的计算公式，考虑了表面张力的影响，该计算公式是阿基米德原理的一个有效扩充。流体力学学科的特点（3）流体力学在学科群中具有独特的重要性。¾流体力学研究周期长，需要的财力、物力和人力投入较大。流体力学是一门很传统的科学，但传统内容却能蕴涵可以在别的学科成为重要方向的新问题，如混沌现象等。¾因环保、安全和微型化等需要，也会导致一些新问题出现，如交通流、人员疏散、微纳米流动等。流体力学学科的特点（4）流体力学是一门既针对具体物质但又需要抽象思维的科学。¾流体结构的变形从拓扑结构层次上可以是无限的变形，流体力学中最重要的气体流动是肉眼不可见的，需要采用间接方式描述或测量。¾在高温、高速等特殊条件下，还需要认识流体的物质特性，进行流体科学的研究。流体力学学科的特点（5）流体力学蕴涵重大的基础科学问题，同时又是一门与国家重大需求紧密相关的学科。¾湍流几乎无处不在，而目前对于湍流机理的认识还停留在经验、半经验的层次上，尤其是可压缩湍流的研究。¾在国家重大需求的牵引下，如空天飞行器的发展，为流体力学研究提出了一系列新的问题，如流动的复杂非定常和非线性物理过程、复杂流动现象和演化机理等。流体力学学科的发展态势（1）宏观与微观相结合。力学界正在关注跨物质层次、多尺度的力学现象和非线性并远离热力学平衡态的力学行为，这是力学研究的重要发展趋势；（2）更加重视高性能计算。计算力学产生了CAE产业并成为新领域“计算科学”的核心，以计算力学方法为纲，集建模推理、数据测量、智能控制和力学计算为一体的力学研究手段正在形成；（3）更加重视先进实验技术。微小尺度、高速率、多场耦合、生命活动等给力学测试带来了巨大的挑战，实验力学需要发展新一代的测量技术；流体力学学科的发展态势（4）学科的交叉与融合。全球气候、环境、海洋、自然灾害等自然界中的诸多问题将不断提出具有学科交叉性和综合性的新的力学问题。力、热、电、磁等多场耦合的研究问题将不断出现，促进新的学科交叉；（5）力学与工程技术的结合。随着现代科学技术的发展，力学越来越重视为工程各领域服务，旨在发展力学的理论与方法并应用于工程实际中，为经济发展和国家安全做贡献。（四）力学学科的分支领域（四）力学学科的分支领域力学学科的二级学科分支：动力学与控制固体力学流体力学力学交叉领域生物力学、爆炸力学、物理力学、理性力学、等离子体动力学，等（四）力学学科的分支领域（四）力学学科的分支领域基于基金申请代码的力学学科划分：力学中的基本问题和方法动力学与控制固体力学流体力学生物力学爆炸与冲击动力学（四）力学学科的分支领域（四）力学学科的分支领域A02力学A0201力学中的基本问题和方法A020101理性力学与力学中的数学方法A020102物理力学A020103力学中的反问题基于基金申请代码的力学学科划分（四）力学学科的分支领域（四）力学学科的分支领域A0202动力学与控制A020201分析力学A020202动力系统的分岔与混沌A020203运动稳定性及其控制A020204非线性振动及其控制A020205多体系统动力学A020206转子动力学A020207弹道力学与飞行力学A020208载运工具动力学及其控制A020209多场耦合与智能结构动力学（四）力学学科的分支领域（四）力学学科的分支领域A0203固体力学A020301弹性力学与塑性力学A020302损伤与断裂力学A020303疲劳与可靠性A020304本构关系A020305复合材料力学A020306智能材料与结构力学A020307超常环境下材料和结构的力学行为A020308微纳米力学（四）力学学科的分支领域（四）力学学科的分支领域A020309接触、摩擦与磨损力学A020310表面、界面与薄膜力学A020311岩体力学和土力学A020312结构力学与结构优化A020313结构振动、噪声与控制A020314流固耦合力学A020315制造工艺力学A020316实验固体力学A020317计算固体力学（四）力学学科的分支领域（四）力学学科的分支领域A0204流体力学A020401湍流与流动稳定性A020402水动力学A020403空气动力学A020404非平衡流与稀薄气体流动A020405多相流与渗流A020406非牛顿流与流变学A020407流动噪声与气动声学A020408流动控制和优化（四）力学学科的分支领域（四）力学学科的分支领域A020409环境流体力学A020410工业流体力学A020411微重力流体力学A020412交通流与颗粒流A020413电磁与多场耦合流体力学A020414实验流体力学A020415计算流体力学（四）力学学科的分支领域（四）力学学科的分支领域A0205生物力学A020501组织与器官系统力学A020502细胞、亚细胞、生物大分子力学A020503仿生、生物材料与运动生物力学A0206爆炸与冲击动力学A020601爆炸力学A020602冲击动力学流体力学流动的分类¾按流动属性：不可压缩流动、可压缩流动¾按流动性态：层流、湍流¾按流动速度：低速流动、高速流动、高超声速流动¾按流体物性：单一介质流动、多相流（五）力学学科优先资助领域（五）力学学科优先资助领域1.高维非线性系统动力学与控制2.随机系统动力学与控制3.多体系统动力学与控制4.变形体强度理论与破坏机理5.多场耦合理论与智能材料及结构力学6.超常环境下结构响应与爆炸冲击力学7.多尺度力学及跨尺度关联8.可压缩湍流与流动稳定性（五）力学学科优先资助领域（五）力学学科优先资助领域9.非定常流动/运动耦合及其控制10.复杂相间作用的多相流11.高速高压水动力学12.人类健康与重大疾病的生物力学问题13.空间生物力学基础14.生物材料力学、运动与仿生力学15.大规模数值模拟与高效算法16.力学实验技术与仪器研制1.高维非线性系统动力学与控制（1）高维非线性系统全局分叉和多脉冲混沌动力学的理论与应用；（2）多自由度非线性系统的时滞效应及控制；（3）高维非光滑系统的非线性动力学；（4）复杂作用和边界条件下新型材料结构的高维非线性动力学；（5）复杂网络系统和神经系统的非线性动力学与控制；（6）高维非线性系统大范围动力学全局特性的计算理论和数值方法及其应用。2.随机系统动力学与控制（1）随机分叉、随机混沌的基本科学体系和一些关键科学问题；（2）随机动力学方程高性能数值方法和一些随机动力学核心科学计算问题；（3）非白噪声、非高斯与非平稳随机激励下非线性动力学分析和有界噪声激励下非线性系统的全局动力学分析；（4）随机非光滑动力系统和随机时滞系统的动力学分析;（5）复杂动力系统和网络的随机分叉与混沌研究；（6）最优随机控制理论及应用。3.多体系统动力学与控制（1）具有复杂形状及不同材料性能的物体之间的碰撞与摩擦定律的宏观描述与等效力学模型；（2）散体介质的冲击效应所呈现的多尺度耦合现象；（3）力学系统中约束方程的形成与演化机制以及数学模型中约束方程所激发的模型奇异性问题分析及相关物理机制的描述；（4）由碰撞、摩