周培源教授一一湍流研究的先驱者之一

黄永念同志：
      周培源教授(以下我们尊称他为周老)离开我们己经整整一年了。他是我们国家的一代伟人，他作为20世纪中国乃至世界最杰出的科学家之一是完全当之无愧的。去年春天杨振宁教授应邀在香港大学作关于中国科学发展史的报告中特别提到周老是我国有记载的最早被送往国外留学并取得博士学位的几位科学家之一。他对中国近代科学事业发展所作的贡献和所起的作用，包括对优秀人才的培养都是无人能与之比拟的。他作为新中国科学家的代表，所访问过的国家和得到各国领导人的接见都是首屈一指的。如今他己经离开我们去了，但人们还经常谈论他、怀念他，为我们失去了一位德高望重的老科学家、老领导而深感到婉惜。我们今天来记念他的就是他留给后人很多很有意义的东西。
      我觉得他留给我们最宝贵的就是对科学事业执着的追求。他从20世纪开始研究相对论，又从30年代开始研究湍流运动，一直干到90年代，曾经一度病危躺在病床上仍然在研究湍流，推导公式。他艰苦奋斗了半个多世纪为的是什么?是为了探索当代物理学中最后一个末解决的难题——湍流问题。他这种为科学献身的精神，是一个真正科学家的美德，也是最值得我们学习的东西。4年前在美国洛斯·阿拉莫斯非线性研究中心召开的一次非线性科学 (一门新兴的跨学科的共性科学)未来10年的展望研讨会。与会者达成的一个共识就是"敢于探索前人从未探索过的领域"。这次会议把湍流列为今后研究的3大主要课题之一。
      最近，美国康乃尔大学的湍流专家勒姆雷教授把周培源教授和英国的泰勒、美国的冯·卡门和前苏联的科尔莫哥洛夫教授并列为4位最杰出的湍流理论的先驱者。泰勒和冯·卡门教授都生于19世纪80年代，又都是在本世纪初开始进行湍流研究工作，他们应该属于更老一辈的科学家。周老生于1902年，柯尔莫哥洛夫生于1903年，他们两人则是同辈。周老的第一篇湍流文章发表于19幼年中国《物理学报》，柯尔莫哥洛夫的第一篇湍流文章则发表于1941年《D·A·N·SSSR》。他们的湍流研究工作都己有50多年的历史了。如果说从指导研究生的湍流论文算起，周老的第一位研究生王竹溪先生的《回转体后的湍流尾流》论文发表于1934午的《清华大学学报》上，至今己有60年了。而周老则一直坚持在湍流领域内奋斗，直到生命的最后。泰勒和冯·卡门在湍流领域内都奋斗了40余年，柯尔莫哥洛夫也奋斗了30余年，而周老是奋斗最长的一位科学家。
      周老对湍流理论的贡献主要可归纳成为两个方面。一方面是在40年代初期首次提出湍流统计理论需要考虑脉动速度方程。他在1945午发表的"关于速度关联和湍流脉动方程的解"是现代湍流模式理论的基础。周老早期的工作早在50年代就己被人公开引用，而真正引起湍流界重视则是在1968年斯坦福会议上。这次会议被认为是湍流研究的一个转折点。在60年代由于电子计算机的迅速发展，很多人开始沿着周老建议的方向开展工作。单单在美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室，就有3组科学家从事这方面的工作，只是他们的工作发表在洛斯·阿拉莫斯的内部报告上，我们无法知道。直到1988年才由Hanjalic教授公开出来。就在1988年周老第一次也是他唯一的一次被邀请去访问洛斯·阿拉莫斯国家实验室，那里的美国科学家都对他非常尊敬。当时的非线性研究中心的主任Campbell教授曾当面对周老说，只要是他推荐的学生到洛斯·阿拉莫斯工作，他们就接受。
      周老对湍流理论的第二个巨大贡献就是他在50年代初期就首次提出"先求解后平均"的湍流动力学途径的想法。自1883年雷诺首先开始研究湍流，并提出了"先平均后求解"的雷诺平均方法，从而引出雷诺应力的概念以来，人们一直沿着他的途径研究湍流流动问题。周老从他多年研究的基础上总结了前人的工作，发现按照雷诺平均的方法必然会产生方程组不封闭的根本性困难。这是一条走不通的路。因此必须重新寻找另外的途径。先求解后平均就可以克服这种不封闭性的困难。但是因为纳维一斯托克斯方程的解可能有许许多多，要寻找适合湍流流动的解必须要有物理性质上的依据。周老认为湍流运动中存在有许许多多的涡旋，而这种涡旋的结构及其演变，以及相互之间的作用是解决湍流问题的关键。因此，他在50年代后期提出了一种湍流统计理论的轴对称涡旋结构理论。并由此解决了均匀各向同性湍流的问题。由于周老在50～60年代的工作都是在国内用中文发表的，没有能引起国际上的注意，最遗憾的是IUTAM于1961年在法国马赛召开了一次国际湍流力学会议。这次会议汇集了世界各国的湍流专家，上面提到的泰勒、冯·卡门和科尔莫哥洛夫都应邀出席了这次大会，而周老却未能前往参加，从而失去了一次让世界了解中国、了解中国科学家的湍流研究工作的宝贵机会。
      70年代以来，中国开始走向世界，周老深深了解到科学交流的重要性。他利用一切出国的机会，向世界宣传中国科学家的工作，特别是他正在为之奋斗的湍流理论工作。每次出国以前他都要找我一起准备作学术报告的材料。1975年他在法国格里诺勃作的湍流统计理论的学术报告，曾引起法国科学家极大重视。特别值得一提的1987年周老赴德国哥廷根参加了一次湍流研究的展望会(注:国际湍流前景学术讨论会)。这是为德国湍流专家Rotta教授75岁生日的祝寿活动。周老回国后曾对我说:"我这个85岁的老人倒去向75岁的肪tb祝寿。"实际上Rotta1951年的工作是在周老1945年的文章基础上发展起来的。我认为周老之所以去参加那次会议就是为了利用这次会议去宣传我们的工作。
      80年代以来在国际上迅速发展起来的湍流直接数值模拟、湍流混油动力学和涡动力学途径都是先求解后求平均，先研究流场的涡结构，再研究其统计特性的方法，也正是周老所率先提出的方法。这儿年来我们北京大学力学系湍流国家重点实验室的科学研究工作也正是沿着周老所指引的方向在努力的。我们一定不会辜负周老对我们的期望，在湍流研究领域内继续奋斗下去。 
      注:本文作者黄永念先生系北京大学力学与工程科学系教授，本文于1995年1月完成。