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大家好，我是王利民，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所。我研究湍流已經(jīng)20多年了，目標(biāo)就是計(jì)算出湍流的奧秘。
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不知道大家以前聽(tīng)過(guò)湍流這個(gè)詞沒(méi)有？想要了解湍流，我們可以先看看下面這張圖。
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其實(shí)，這是與湍流對(duì)應(yīng)的另外一種狀態(tài)，層流。圖里的水看起來(lái)就像靜止的一樣。但當(dāng)我們一觸摸到水，就知道它是流動(dòng)的，這是因?yàn)閷恿魈貏e穩(wěn)定。
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而我們更常見(jiàn)到的水流是這樣的。當(dāng)水量增大之后，水流就會(huì)變得不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定的流動(dòng)就是我們今天要討論的主題——湍流。
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湍流實(shí)際上是無(wú)處不在的，它影響著萬(wàn)事萬(wàn)物。煙囪中冒出來(lái)的煙氣、奔騰的河水，還有從加濕器里跑出來(lái)的水汽，甚至飛機(jī)飛行過(guò)后周?chē)目諝猓际俏覀兡芸吹降耐牧鲬B(tài)。從中可以看出，湍流就是流體在三維空間的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，它會(huì)產(chǎn)生許多不同尺度的漩渦。
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比如，不知道大家有沒(méi)有想過(guò)，為什么高爾夫球表面有好多小坑呢？實(shí)際上這也是因?yàn)橥牧?。在很久以前，高爾夫球的表面是光滑的?/span>
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但是后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，表面有“麻臉”設(shè)計(jì)的高爾夫球受到的空氣阻力更小。這就意味著，用同樣的力去打光滑的球和“麻臉”設(shè)計(jì)的高爾夫球，“麻臉”的高爾夫球會(huì)飛得更遠(yuǎn)。這背后的原因，就是這些“麻點(diǎn)”在高爾夫球表面產(chǎn)生了湍流。
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在科學(xué)上，真正意義的湍流研究應(yīng)該要從著名的雷諾實(shí)驗(yàn)來(lái)講起。雷諾是一位英國(guó)的物理學(xué)家，他在1883年做了著名的圓管流動(dòng)實(shí)驗(yàn)。他往圓管的中心注入了一滴墨，觀察墨滴在之后的流動(dòng)狀態(tài)。
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他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流量很小的時(shí)候，墨滴的流動(dòng)軌跡是一條直線(xiàn)，這說(shuō)明流體就像分層一樣在流動(dòng)，這種流動(dòng)就是層流。當(dāng)流量增大了以后，墨滴會(huì)填充整個(gè)管道，在縱向上也有流動(dòng)，這種流動(dòng)就是湍流。
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雷諾不但區(qū)分了層流和湍流，還用了他的名字命名的一個(gè)無(wú)量綱的雷諾數(shù)來(lái)區(qū)分什么時(shí)候是層流，什么是湍流。當(dāng)雷諾數(shù)大的時(shí)候就是湍流，小的時(shí)候就是層流。
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從雷諾開(kāi)始，湍流已經(jīng)困擾全球科學(xué)家一個(gè)多世紀(jì)了。著名的量子力學(xué)創(chuàng)始人沃納·海森堡就曾說(shuō)過(guò)：“我要帶著兩個(gè)問(wèn)題去見(jiàn)上帝：量子力學(xué)和湍流。我相信上帝對(duì)第一個(gè)問(wèn)題已有了答案?！彼难酝庵饩褪?，上帝面對(duì)湍流也沒(méi)有解決辦法。
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被愛(ài)因斯坦稱(chēng)為20世紀(jì)最睿智的理論物理學(xué)家的理查德·費(fèi)曼也說(shuō)：“湍流是經(jīng)典物理學(xué)尚未解決的最重要的難題。”
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計(jì)算機(jī)的創(chuàng)始人之一、著名的數(shù)學(xué)家馮·諾伊曼發(fā)明計(jì)算機(jī)的一個(gè)很大動(dòng)力，就是想求解湍流來(lái)進(jìn)行數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的工作。他認(rèn)為：“數(shù)字計(jì)算機(jī)會(huì)帶來(lái)湍流研究的革命?！?/span>
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在湍流的研究歷程中，做出貢獻(xiàn)的著名的科學(xué)家還有愛(ài)因斯坦、G.I.泰勒、控制論的創(chuàng)始人諾伯特·維納、錢(qián)學(xué)森的導(dǎo)師馮·卡門(mén)、前蘇聯(lián)的數(shù)學(xué)家柯?tīng)柲缏宸?，?dāng)然還有我國(guó)著名的科學(xué)家錢(qián)學(xué)森和著名的數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家周培源等。
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這么難的一個(gè)課題，為什么我會(huì)走上這一條研究道路呢？這說(shuō)來(lái)話(huà)長(zhǎng)，甚至可以說(shuō)陰差陽(yáng)錯(cuò)。
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我本科學(xué)的是冶金工程，而中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所的前身就是中國(guó)科學(xué)院化工冶金研究所，所以我考研就考到了所里。最后錄取的方向是復(fù)雜性科學(xué)和煤解耦燃燒，我當(dāng)時(shí)也不懂是什么意思。真是沒(méi)想到，復(fù)雜性科學(xué)做的就是湍流這個(gè)東西.
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所以我讀博的過(guò)程也非常艱辛，花了6年才博士畢業(yè)。經(jīng)常是晚上睡不著覺(jué)，這個(gè)課題實(shí)在是太難了。最后，我通過(guò)一個(gè)小小的進(jìn)展，獲得了博士論文學(xué)位。
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那么，為什么一個(gè)專(zhuān)注化工冶金的研究所會(huì)這么關(guān)注湍流呢？因?yàn)槲覀冞^(guò)程工程所用的反應(yīng)器里面，存在著好多湍流的現(xiàn)象。湍流的存在，嚴(yán)重地影響著傳熱、傳質(zhì)及反應(yīng)過(guò)程。
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而這些影響，在化工反應(yīng)器的設(shè)計(jì)放大過(guò)程中尤其重要?；瘜W(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里面合成出一個(gè)新物質(zhì)后，往往要經(jīng)過(guò)小試、中試、工業(yè)示范，最后才能工業(yè)化，這個(gè)過(guò)程特別漫長(zhǎng)。比如殼牌的煤氣化技術(shù)，從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化過(guò)程就經(jīng)歷了21年。
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為什么放大過(guò)程這么難？就是因?yàn)檫@里面存在著好多像湍流這樣的非線(xiàn)性的過(guò)程。如果都是均勻的過(guò)程，那就只需要簡(jiǎn)單地復(fù)制放大就可以了。而在實(shí)際的放大過(guò)程中，不同尺度的反應(yīng)器里面的湍流結(jié)構(gòu)都是不一樣的，所以只能通過(guò)試錯(cuò)來(lái)進(jìn)行逐級(jí)的放大。這個(gè)過(guò)程費(fèi)用高、周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)也很大。
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所以，我們團(tuán)隊(duì)一個(gè)很大的目標(biāo)就是，用模擬軟件把不同尺度的湍流的結(jié)構(gòu)都給解析清楚，然后精準(zhǔn)模擬湍流。比如說(shuō)，實(shí)驗(yàn)室里有了新工藝，我們把它通過(guò)多尺度模擬的軟件模擬清楚了以后，就在工廠里面一步放大到工業(yè)化，省略小試、中試等的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程如果能夠?qū)崿F(xiàn)，就可以大大地縮短研發(fā)周期，節(jié)省很多費(fèi)用。
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早在100多年前，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了控制湍流的方程，也就是納維·斯托克斯方程（NS方程）。納維·斯托克斯方程是七個(gè)千禧年大獎(jiǎng)難題之一，如果誰(shuí)能做出來(lái)這個(gè)方程解的存在性和光滑性的證明的話(huà)，就會(huì)得到100萬(wàn)美元的獎(jiǎng)金。但到目前為止，這個(gè)問(wèn)題還沒(méi)有解決。
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馮·卡門(mén)曾經(jīng)說(shuō)過(guò)一句話(huà)，我們?nèi)瞬荒軌蛞驗(yàn)闆](méi)有研究清楚消化系統(tǒng)就不吃飯。湍流也一樣，我們不能因?yàn)榻獠涣诉@個(gè)方程，就不繼續(xù)往前發(fā)展了。
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雷諾除了從科學(xué)上首次區(qū)分了層流和湍流之外，他還有另外一個(gè)貢獻(xiàn)，就是將NS方程進(jìn)行了一個(gè)平均處理。但這種做法在進(jìn)行工程應(yīng)用的時(shí)候，就出現(xiàn)了雷諾方程的不封閉性問(wèn)題，產(chǎn)生了一個(gè)雷諾應(yīng)力項(xiàng)，在數(shù)學(xué)上沒(méi)法算。要算的話(huà)，必須對(duì)雷諾應(yīng)力項(xiàng)進(jìn)行模型化求解，也就是建立湍流模型。
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湍流的模擬通常分三類(lèi)，第一種是通過(guò)雷諾平均NS方程。比如說(shuō)像上邊這個(gè)實(shí)驗(yàn)的圖，采取平均NS方程求解的話(huà)就會(huì)出現(xiàn)下圖右邊最底下的這個(gè)圖形，一看就知道太粗糙了。
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往上的話(huà)就要采用大渦模擬來(lái)求解，也就是小尺度的渦就不解析了，解析90%的大渦，這樣得到的模擬會(huì)更準(zhǔn)確一點(diǎn)。而如果用直接數(shù)值模擬來(lái)求解的話(huà)，整個(gè)結(jié)構(gòu)就會(huì)被解析得更清楚一點(diǎn)。
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從下往上的三種方法模擬越來(lái)越準(zhǔn)確，但是有一個(gè)缺點(diǎn)，就是計(jì)算量也越來(lái)越大。比如我們想做飛機(jī)全機(jī)尺度的空氣動(dòng)力學(xué)模擬，假如把全球的計(jì)算資源加起來(lái)，然后把計(jì)算機(jī)的算力按摩爾定律來(lái)推算，也就是默認(rèn)每18個(gè)月計(jì)算機(jī)的能力翻一倍，我們要到2080年才能對(duì)大飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行全機(jī)的模擬。
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哪怕是用計(jì)算量稍小一些的大渦模擬，也要到2045年才能夠?qū)崿F(xiàn)。所以在工程上，更多的還是用的20世紀(jì)90年代的這個(gè)湍流模型。但問(wèn)題是，這個(gè)模型它算得快，但算得不準(zhǔn)，那怎么辦呢？
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在40年前，我的導(dǎo)師李靜海院士等提出了一種能量最小多尺度（EMMS）的模型。但當(dāng)時(shí)不是用于湍流，而是用在含有氣體和固體顆粒的流化床系統(tǒng)里面。在這個(gè)模型中，他將氣固系統(tǒng)分解成三個(gè)尺度。一個(gè)是催化劑顆粒單元尺度，第二個(gè)就是反應(yīng)器設(shè)備的宏尺度，還有一個(gè)是介尺度。
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他們發(fā)現(xiàn)，介于單元尺度和宏尺度之間存在一個(gè)動(dòng)態(tài)的時(shí)空結(jié)構(gòu)——顆粒聚團(tuán)。這種動(dòng)態(tài)的時(shí)空聚團(tuán)結(jié)構(gòu)既會(huì)影響顆粒的表面反應(yīng)，也會(huì)影響著宏觀的反應(yīng)，對(duì)傳遞過(guò)程起著決定性的作用，這就是介尺度。
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在這個(gè)能量最小多尺度模型里面，李靜海院士等提出用8個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)描述這種介尺度結(jié)構(gòu)顆粒聚團(tuán)的行為。但是他只建立出6個(gè)動(dòng)力學(xué)方程，也就說(shuō)這個(gè)模型不封閉，沒(méi)法算。于是他們引入了一個(gè)穩(wěn)定性條件進(jìn)行封閉，這個(gè)模型就成功準(zhǔn)確模擬了工業(yè)規(guī)模的非均勻氣固系統(tǒng)。
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提出能量最小多尺度的氣固模型之后，李靜海院士就在思考，是否能夠把這種思想應(yīng)用于湍流，這也就是他招收我做博士研究湍流的原因。
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從剛才的講述里面我們可以注意到，氣固系統(tǒng)模型的不封閉性問(wèn)題和湍流模型的不封閉性問(wèn)題有很大的相似性。所以經(jīng)過(guò)10多年的探索，我們也在湍流里面做出了一些嘗試，最終建立了能量最小多尺度的湍流模型。
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不同于傳統(tǒng)的湍流模型弱化了流動(dòng)中的層流成分，我們的湍流模型將復(fù)雜的流動(dòng)分解成了湍流成分和層流成分的混合物。
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通俗一點(diǎn)說(shuō)，比如我們所處的這個(gè)屋子就是一個(gè)計(jì)算的網(wǎng)格。像傳統(tǒng)的湍流模型會(huì)假設(shè)整個(gè)屋里面的所有流體是充分湍流的，但事實(shí)上，這個(gè)屋里面可能只有在空調(diào)口和房間入口處的流體是充分湍流的，而在房屋某些角落的流體基本上是靜止的，是處于層流狀態(tài)的。
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所以，傳統(tǒng)的湍流模型弱化了層流成分，這樣的做法跟物理圖景不太吻合，這就導(dǎo)致它的模擬精度不高。而我們的模型可以捕捉這種層湍共存的狀態(tài)。
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比如這是模擬方腔流動(dòng)的過(guò)程，這是化工里常見(jiàn)的一種設(shè)備。當(dāng)雷諾數(shù)在10000的時(shí)候，在角落上本來(lái)是應(yīng)該有二次角渦的，但是傳統(tǒng)的湍流模型捕捉不到二次角渦，而我們的模型就可以捕捉到。此外，我們模型預(yù)測(cè)的速度分布和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得更好，也就是說(shuō)我們成功提高了湍流模擬的準(zhǔn)確性。
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準(zhǔn)確性提高后的下一步，就是怎么提高計(jì)算的速度。我們團(tuán)隊(duì)在2007年注意到，圖形處理器GPU可以用來(lái)加速科學(xué)計(jì)算。不同于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)里通常是用CPU中央處理器進(jìn)行計(jì)算的，這種圖形處理器可以同時(shí)開(kāi)展成千上萬(wàn)個(gè)線(xiàn)程。我們發(fā)現(xiàn)，用每一個(gè)線(xiàn)程計(jì)算一個(gè)顆?；蚋櫼粋€(gè)網(wǎng)格，這樣計(jì)算速度就非?？臁?/span>
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這有一個(gè)科普視頻為大家展示CPU和GPU計(jì)算原理的差異。比如要畫(huà)一個(gè)圖，CPU是以串行任務(wù)的形式來(lái)開(kāi)展，而GPU是以多線(xiàn)程的形式來(lái)做的，通過(guò)類(lèi)似噴發(fā)般的一瞬間就可以直接得到一個(gè)圖，效率非常高。
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在2009年，英偉達(dá)的CEO黃仁勛先生來(lái)過(guò)程工程所，鑒于我們?cè)谶@方面做的開(kāi)創(chuàng)性的工作，給我們過(guò)程工程所頒發(fā)了CUDA卓越中心的稱(chēng)號(hào)。
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2010年，我們也成功研制出了首套單精度的千萬(wàn)億次超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
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當(dāng)時(shí)我們的工作也為GPU在科學(xué)計(jì)算的應(yīng)用上打開(kāi)了一扇窗口。隨著現(xiàn)在對(duì)人工智能和算力的強(qiáng)大需求，我們感覺(jué)好像錯(cuò)過(guò)了一次致富的機(jī)會(huì)。
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眾所周知，現(xiàn)在芯片“卡脖子”問(wèn)題很?chē)?yán)重。實(shí)際上在工業(yè)軟件領(lǐng)域，“卡脖子”問(wèn)題也很?chē)?yán)重，我們現(xiàn)在用的工業(yè)軟件90%都是歐美研發(fā)的。
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但是，我們現(xiàn)在有了自己的EMMS湍流模型的算法，有了新的異構(gòu)計(jì)算模式提高速度，于是我們成功開(kāi)發(fā)了一款既快又準(zhǔn)的格子多相流體力學(xué)模擬軟件，簡(jiǎn)稱(chēng)LMFD。
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這個(gè)軟件在2023年還獲得了互聯(lián)網(wǎng)國(guó)產(chǎn)自主軟件最具影響力特等獎(jiǎng)。
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這個(gè)軟件有什么優(yōu)勢(shì)呢？我們可以將原本超級(jí)計(jì)算機(jī)才能完成的任務(wù)分解，用現(xiàn)在玩游戲的游戲（筆記）本就能夠完成。這是基于我們這個(gè)軟件結(jié)合游戲本做的一個(gè)仿真機(jī)。
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這是我們用仿真機(jī)來(lái)模擬的一個(gè)算例。這個(gè)算例如果用我們的軟件計(jì)算，只需要1.5個(gè)小時(shí)就可以算完。如果用傳統(tǒng)的軟件在CPU的框架下來(lái)計(jì)算的話(huà)，需要3個(gè)月的時(shí)間。
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這個(gè)軟件有什么用呢？比如，它能提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確程度?，F(xiàn)在的天氣預(yù)報(bào)很大程度上依賴(lài)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的模型，它包含對(duì)空氣的計(jì)算和對(duì)海洋的計(jì)算，這些流體過(guò)程都涉及復(fù)雜的湍流，湍流模型對(duì)它的精度影響非常大。用我們的軟件，就可以實(shí)現(xiàn)公里級(jí)分辨率的洋流模擬，來(lái)提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的質(zhì)量。
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航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的“心臟”，被譽(yù)為航空工業(yè)皇冠上的明珠。
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我們的模型可以計(jì)算航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的湍流作用，為設(shè)計(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉形等各方面的精度優(yōu)化提供指導(dǎo)。
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此外，我們也和301醫(yī)院進(jìn)行合作，模擬心血管內(nèi)的血液流動(dòng)，因?yàn)檠芾镆矔?huì)出現(xiàn)湍流，特別是血管狹窄乃至堵塞的時(shí)候。左邊這個(gè)圖是通過(guò)CT掃描得到的人體上半身部分的血管，我們可以以它為邊界條件來(lái)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)軟件模擬探索放置支架的方式。
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比如在病人需要心臟搭橋的時(shí)候，如何放置心臟搭橋的設(shè)備阻力更小，血液流得更暢通。?
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在新能源材料方面，我們和寧德時(shí)代合作，為他們研發(fā)新能源材料生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)放大做了好多優(yōu)化模擬。這種升級(jí)有什么意義呢？正負(fù)極材料的改性升級(jí)或許能使這個(gè)電池的循環(huán)周期由以前的6000次提高到8000次，這意味著新能源汽車(chē)以前能用8年的，將來(lái)可能可以用10年。
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像寧德時(shí)代以及其他的中國(guó)制造企業(yè)，現(xiàn)在已經(jīng)走到了世界領(lǐng)先的“無(wú)人區(qū)”，前面已經(jīng)無(wú)人可供參考。那下一步再要如何提升？這就需要通過(guò)模擬仿真來(lái)鞏固、探索，從而保持我們中國(guó)制造的領(lǐng)先地位。
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這是我們能量最小多尺度研究團(tuán)隊(duì)LOGO的一個(gè)繞流模擬。我們團(tuán)隊(duì)的名字叫EMMS Group，后面流動(dòng)的都是我們算出來(lái)的湍流。
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在20年的湍流研究中，我們的工作只是湍流研究萬(wàn)里長(zhǎng)征的一小步，離解決湍流實(shí)際上還是有很長(zhǎng)很長(zhǎng)的距離。
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在這20多年的研究中我有一點(diǎn)感悟，實(shí)際上人生就像湍流，如此美麗，七彩繽紛，我們一直身處其中，卻似乎卻從未真正理解過(guò)他。
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謝謝大家！
