螺旋度的定义为速度与涡量的标量积，螺旋湍流指的是平均螺旋度或局部螺旋度不为0的湍流流动状态，广泛存在于龙卷风、台风等自然现象以及航空发动机、离心泵等旋转机械流动中。作为欧拉方程的最后一个里程碑，螺旋度守恒性定理的发现为系统研究三维湍流的时空演化提供了新的研究方向。作为三维湍流仅有的两个二次无粘不变量之一(另一个为动能)，Noether定理决定了螺旋度具有时空多尺度分布和多尺度多方向手性间的传输特征。 

　　中国科学院力学研究所可压缩转捩与湍流课题组于长平等长期致力于螺旋湍流的理论及数值模拟研究工作，以螺旋度为视角，在揭示湍流物理本质、建立大涡模拟模型等方面，取得了系列重要进展。 

　　在湍流级串理论方面，课题组首次发现螺旋度级串具有双通道效应，该理论丰富和完善了湍流级串的涡动力学过程，以新的视角来解释能量反级串问题；针对湍流经典级串理论未考虑镜像破却的缺陷，发展了螺旋湍流的尺度局部性理论，证实了在镜像破却条件下湍流小尺度流动具有普适性的规律等；突破压力破坏方程守恒性的障碍，发展可压缩螺旋湍流动能与螺旋度的联合级串理论，理论上证明基于螺旋度所建立的大涡模拟模型可采用更少的计算网格量等。 

    化学链燃烧(CLC)具有零能耗分离CO₂和提高能量转化效率的优势，是当今世界能源环境系统的重要研究方向之一，逐渐被美国、欧盟等一些国家和组织当作优先发展的重要能源环境战略选择。长久以来，高反应速率、高转化率的反应器都是CLC领域重要的研究内容之一。 

　　当前，主流的CLC反应器为固定床反应器和不同组合形式的流化床反应器。对于固定床反应器，因燃料气与载氧体气固接触面积小，存在反应速率慢和燃料转化率低的问题。在流化床反应器中，燃料气与载氧体之间充分混合，气固接触面积大，气固反应速率快。然而，流化床CLC反应器在现阶段主要存在以下技术瓶颈：1)载氧体颗粒在循环流动中磨损严重；2)燃料气的转化率取决于床高，高燃料气转化率需要的床高难以忍受。 

　　针对上述问题，工程热物理研究所分布式供能与可再生能源实验室设计提出了多孔蜂窝型化学链燃烧反应器，如图1所示。与以往CLC反应器不同，多孔蜂窝型载氧体不仅是反应物，而且还是反应器的组成材料。反应器材料与载氧体一体化的特征，增加了载氧体和燃料气的接触面积，形成了燃料气的二维扰动，促进了反应速率场与温度场的协同，具有提升CLC反应速率和燃料气转化率的潜力。基于气固SCM反应模型和平推流模型，研究给出了多孔蜂窝型CLC反应器的反应速率特征方程和设计方法。 

　　在上述研究基础上，进一步研制了国际首套10kW多孔蜂窝型CLC反应器原理样机，并开展了实验研究。实验结果表明：以CH₄为燃料气时，相比传统固定床上Ni-基、Fe-基等载氧体的化学链燃烧，载氧体的反应速率提升了3~4倍，达到与流化床反应器相当的水平。同时，与传统流化床反应器上的CLC相比，多孔蜂窝型反应器不仅避免了载氧体的循环流动和磨损，还在维持95%以上的CH₄平均转化率时，将反应器床高缩减至前者的一半以内。此外，该多孔蜂窝型CLC反应器已累计连续稳定运行超过1000小时，实验期间，载氧体表现出良好的循环再生性。 

　　上述工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持，相关研究成果为发展清洁能源环境系统提供了一条新的途径。 

　　多孔蜂窝型化学链燃烧反应器装置图 

    长期以来，鱼类的集群行为一直受到生物学家、物理学家和数学家的关注。这种奇特的自然现象存在着两个未解之谜。第一，是什么原因使得成百上千的鱼聚集在一起？第二，鱼如何在快速运动中始终保持稳定的队形？目前，人们推测鱼类的聚集原因大致有觅食、繁殖、防卫和高效推进等几种可能。同时，人们一般认为鱼群的形成和维持可能需要复杂的生理感知和主动控制机制。 

　关于第二个问题，著名的应用数学家詹姆斯·莱特希尔（James Lighthill）曾提出过一个完全不同的答案。他猜想鱼群的形成与维持可能并非依靠精确的主动控制而是被动地借助了远程的流体力学相互作用力。他还将这种作用力与晶体结构中微粒间的相互作用力相类比。这个猜想自从70年代提出后并没有引起太多的关注。最近，“莱特希尔猜想”又重新进入了科学家的视野。近期的一些数值模拟和实验研究均表明，前后两个直线排列的自主推进体仅依靠流体力学相互作用就可以自发形成稳定的间距。但是，在这些研究中，物体的自主推进均由垂直于前进方向的振荡驱动，而与鱼类的摆动式推进相差甚远。同时，这些研究只考虑了前后两个自主推进体的直线排列情况。 

　近日，中科院力学所的科研人员在《皇家学会界面杂志》(Journal of the Royal Society Interface) 发表了关于“莱特希尔猜想”的最新研究成果（论文链接：http://dx.doi.org/10.1098/rsif.2018.0490）。他们通过数值模拟，研究了由多个仿鱼式自主推进体组成的 “仿生鱼群”。研究有以下两点重要发现。首先，对于2，3，4条仿生鱼组成的鱼群，一共发现了14种自发形成的稳定队形（如图1所示）。其次，在所有的稳定队形中，并列式队形所能达到的推进效率最高。后一个发现质疑了流体力学界广为流传的 “钻石型（菱形）队列效率最优”的论断。上述发现的生物学证据可以在最近的浅水槽鱼群实验中找到： 1) 图1中的某些稳定队形和一些实验中经常出现的鱼群队形完全一致； 2) 在迫切需要节约能耗的实验条件下（如鱼在高速流动中保持固定位置），鱼群仅呈现并列式队形。  

　　图1. 由2，3，4条仿生鱼组成的鱼群自发形成的稳定队形（其中右下角为钻石型（菱形）队列）。图片来自原论文（Dai et al., J. R. Soc. Interface 15: 20180490）。 

　　本项研究阐明了流体力学在鱼群自组织行为中的关键作用。研究成果为“莱特希尔猜想”提供了有力证据，还可能为水下仿生航行器的编队控制提供全新策略。该研究由非线性力学国家重点实验室完成（第一作者为戴龙珍博士，通讯作者为张星研究员），研究得到了国家自然科学基金面上项目和中科院战略性先导科技专项的资助。  

    近日，研究所自主研发设计的国际首台大规模压缩空气储能系统压缩机实验与检测平台在国家能源大规模物理储能技术（毕节）研发中心暨工程热物理所毕节分所完成调试。 

　该实验平台采用闭式循环系统，可实现实验件进口温度和压力的调节，同时采用变频动力设备，实现转速可调。该平台分为低速低压实验系统和高速高压实验系统，系统压力测量范围0.5~110barA，转速测量范围0~40000r/min，功率测量范围0~10MW，具有开展单/多级压缩机气体动力学、机械性能、压缩机与换热设备的耦合特性、压缩系统变工况控制规律、压缩系统性能检测以及特殊工质压缩机性能等功能，为大规模储能系统压缩机的研发提供必备的研发平台环境，为储能系统的产业化提供必需的技术支撑。 

　依托于该实验平台，研究所将详细研究多级压缩系统内部流场测试及优化、变工况运行特性、多级控制规律等关键科学问题，深入开展10MW级压缩空气储能系统压缩部件的全尺寸、全工况实验和100MW级压缩空气储能系统压缩部件模化实验，并基于此开展多级高端压缩设备的研发和产业化。

实验平台总览图

动力系统及测试段

　　页岩气作为一种有潜力的非常规资源，具有广阔的开发前景。但是页岩气渗流机理复杂，微纳米孔隙/缝结构复杂，快速而有效地评估页岩气渗透率一直是国内外学者和工程师们关注的焦点。近期，中科院力学所林缅研究团队根据岩样的扫描电镜（SEM）图像数据，获得了页岩典型矿物的分形特性，分别建立了准三维和三维混合分形渗流模型，提出了快速评估页岩气渗透率的新方法。 

　　研究团队以四川盆地下志留统龙马溪组页岩样品的SEM图像数据，分别针对页岩的三大类典型特征：有机质块体和有机孔，黄铁矿和其中的有机孔，无机孔和裂缝等，利用混合分形单元（IFU, intermingled fractal unit）法，提取各类渗流空间的分形特征，提出准三维的混合分形模型（IFM, intermingled fractal model）。该模型与真实岩样的累计孔径分布频谱一致，能够有效表征不同尺度下的页岩孔隙结构特征。利用该模型，研究团队对页岩气的渗透率进行了敏感性分析，并将渗透率计算结果与实验数据进行了比较验证。 

　　之后，研究团队又提出了页岩三维混合分形模型（3D-IFM, 3D intermingled fractal model）。将孔隙连通性算法（PCC, pore connective calculation method）引入该模型，得到了不同种类孔隙之间的连通概率矩阵，与非达西渗流公式相结合，构建了新型跨尺度页岩渗透率评估方法。该方法能够快速准确地评估页岩表观渗透率。与传统方法相比，该方法涵盖信息多（有机纳米孔、无机孔、黄铁矿、微米裂缝）、计算速度快，便于工程应用，为快速评估页岩渗透率提出了一条新途径。 

 图1 三维混合分形模型建立流程(Li et al.,2018) 

　　图2 模型尺度和规模对样品表征的有效性验证 (Li et al.,2018) 

图3 分形参数对表观渗透率的影响 (Li et al.,2017) 

　　以上研究成果已相继发表于石油工程学科顶级国际期刊SPE Journal(Li C,Lin M,Ji L,et al.Rapid evaluation of the permeability of organic-rich shale based on 3D intermingled fractal model[J].SPE Journal,2018,SPE-191358-PA.)和Energy & Fuels(Li C,Lin M,Ji L,et al.Investigation of Intermingled Fractal Model for Organic-Rich Shale[J].Energy & Fuels,2017,31(9).)上。研究工作得到了中科院先导B页岩气专项、国家自然科学基金和国家重点基础研究发展计划（973）等项目的支持。  

  高超声速飞机的飞行速度一般可达现有飞机的7倍以上，可大幅缩短飞行时间，为未来洲际旅行提供一种更为快捷舒适的交通工具。飞行器的气动布局一般须具有“三高”特点，即高升阻比以保证其航程，高升力使其在高海拔巡航飞行条件下保持升重平衡，高容积率以满足载客/载货需求。但由于在高速飞行条件下，激波和摩擦阻力急剧上升，飞行器的升阻比很难提升。此外，升阻比和升力系数均与容积率存在强烈的矛盾关系，这是现阶段制约飞行器气动性能提升的主要瓶颈问题。 

　　针对上述问题，研究团队提出了一种全新的气动布局概念，其主要特征是采用双升力面立体布局，因轴向投影形状类似于英文字母“I”，故命名为“I”型布局。该布局的核心思想是采用原创性“高压捕获翼”设计原理，通过在传统布局上方增加额外的升力面来有效捕获两次压缩后的高压气流，产生高升力，并大幅提高飞行器的升阻比，进而有效缓解容积率与上述气动参数间的矛盾关系。在此基础上，运用数值模拟、实验设计和数值优化等技术开展了构型优化，并基于高精度数值仿真对其性能进行了评估。结果表明，其在大容积率（约0.175）条件下可获得超过4.5的升阻比，且在最优升阻比条件下升力系数较乘波体等现有先进布局提高达60%左右。 

　　该论文由高温气体动力学国家重点实验室崔凯、肖尧、徐应洲和李广利共同完成，并得到了国家自然科学基金(Grants Nos. 11372324和11572333) 以及高温气体动力学国家重点实验室 (Grants Nos. LHD2017TC01, LHD2017MS04和LHD2017QN03)的共同资助。

　　Fig.1 A principle test model (left) and an artist concept for future applications (right) of HIACs 

        举世瞩目的“十九大”刚刚闭幕，航空科技战线再传喜讯：10月26日，由中国科学院工程热物理研究所和朗星无人机公司作为总体单位，联合航空工业618所、中电54所、航天773所、西工大等单位研发的大型货运无人机AT200在陕西蒲城内府机场完成首飞，标志着全球首款吨位级货运无人机的诞生。 

　　上午12:00，AT200飞机驱散重雾，一飞冲天。飞机经过滑跑、起飞、爬升至预定高度后，进入巡航段并盘旋两周，随后进入着陆航线平稳着陆，整个飞行过程持续26分钟，全程飞机状态稳定，航迹跟踪精确，达到设计要求。 

　　AT200无人机配备了先进的飞控系统和指挥系统，彻底摆脱了对飞行员的依赖，在指控中心即可实现飞机的“一键自主起降”，还可同时控制多架无人机。期间只需监控无人机的状态，必要时由无人机飞控手进行简单的操作即可改变飞行状态，极大地降低了货运成本和无人机操作难度。 

　　该款无人机以P750XL为原型机进行无人化研发设计，搭载最大750轴马力的PT6A 涡桨发动机（加拿大普惠公司生产），突破了有人机改无人机总体设计、飞机-发动机-控制系统匹配、飞机气动参数辨识、全机质量特性测试和系统综合测试等关键技术，具有货运载荷大、续航时间长、起降能力惊人等独特的性能优势，市场前景和商业价值潜力巨大。 

　　飞机全长11.84米、翼展12.80米、高4.04米、最大起飞重量3.4吨，可谓国内外民用无人机领域个头最大的家伙，其货仓容积10立方米，有效载荷达1.5吨，货运商载能力国内外首屈一指；其巡航速度为313公里/时，续航时间长达8小时、航程2183公里，实用升限可达6098米，即使在陆运交通不发达及多山的西部、高海拔地区，也可高效完成点对点的货运支线运输；此外，该型无人机在同级别的飞机中具有惊人的起降能力，满载货物时200米内即可完成起飞和着陆，能够在未铺筑的简易跑道甚至是土坡、草地上起降运行，解决了高海拔、山区等难以抵达地区的起降问题。 

　　由于其强大的性能，该款无人机不仅可在野战机场条件下遂行军事运输任务，将为海岛物资运输保障特别是南海岛礁军事物资补给发挥重要作用，同时在“一带一路”沿线的东南亚多海岛国家也具有广阔的应用前景：短距离起降能力解决了海岛大吨位无人机的起降难题，对于无起降条件的海岛，研发团队在后续改型设计中将加设定点投放能力，投放精度可达半径5m内。 

　　随着无人机环境适应能力的日益增强，已发展成为人工智能时代的急先锋，迅速渗透到不同行业。中国科学院工程热物理所遵循新时代的办院方针，围绕如何打造寓军于民、惠及全国的物流配送体系，率先将目光聚焦到了大吨位固定翼物流无人机的研制上。研发团队以支线客机为载体，利用一年多的时间，联合国内优势力量，快速建立起了智能物流无人机的设计，制造，测试规范和研制流程，首次验证了大型固定翼有人驾驶飞机改型为智能无人机的可行性。 

　　中国科学院工程热物理研究所、朗星无人机系统公司、顺丰速递（集团）、北汽集团主要领导和研发团队共同见证了AT200的成功首飞。各方表示将加强合作，推进AT200的适航取证以及后续的批量生产和商业运行。

    近期，中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室何国威课题组在《》（ANNUAL REVIEW OFFLUID MECHANICS）发表了题为“湍流的时空关联和动态耦合”的综述性论文。《流体力学年鉴》是国际流体力学界的顶级刊物（影响因子为12），每年大约发表二十篇左右的论文，对当今流体力学领域的重要问题和成果做出总结，分析和发展预测。该论文是继周培源先生在一九九五年的《中国湍流研究五十年》论文之后，第二篇以中国大陆科研机构和大学为第一作者单位发表在“流体力学年鉴”杂志上的论文。 

    湍流是流体力学的核心问题之一。时空关联不仅是湍流领域十分重要而又非常困难的问题，也是多尺度科学的前沿课题，并且是决定了湍流噪声能量分布的关键因素。该文对上个世纪以来湍流在时空关联问题上的进展进行了综述：它系统地介绍了湍流时空关联的理论和模型，详细介绍了湍流噪声和湍流与颗粒相互作用的大涡模拟的时空关联方法，最后展望了未来发展需要解决的关键问题，为湍流的理论和应用研究提供了重要参考。  

    该论文的发表，源于力学所研究团队在湍流领域的长期积累和不断创新。他们发展的时空关联的椭圆模型反映了湍流的涡传播和畸变耦合效应，而经典的泰勒冻结流模型和科莱切勒（Kraichnan）的随机下扫模型没有反映二者的耦合效应。该模型得到了美国科学院院士Ahlers和德国马普所所长Bodenschatz等多个课题组的实验检验和验证；他们发展的大涡模拟的时空关联法能够预测湍流的时间和空间联合能量谱，克服了能量平衡方法难以预测湍流时间能量谱的根本缺陷，用于湍流噪声谱的预测。美国斯坦福大学湍流研究中心对该方法的评价为：“大涡模拟领域里新的重要方法论。 

    该论文由中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室的何国威、晋国栋和北京大学湍流与复杂性国家重点实验室的杨越共同完成。

作者：何国威、苏建宇

高比强度钢(HSSS, High Specific Strength Steel)通常含8-12 wt%的铝，其密度比传统钢铁材料降低了约13%，力学性能特点是高强度和塑性的优异匹配。HSSS作为新一代汽车用钢的候选，体现出节约能源和减少温室气体排放的优势，成为轻质高强钢的研发热点。

韩国浦项科技大学的学者2015年在Nature上提出一种新化学成分体系Fe-16Mn-10Al-0.86C-5Ni(wt%)的HSSS，具有体心立方结构FeAl(B2)型金属间化合物与面心立方结构奥氏体的双相组织，同时实现了高强度和大塑性，他们指出脆而硬的金属间化合物引起第二相强化。中科院力学所非线性力学国家重点实验室的科研人员，深入研究了这种HSSS的拉伸行为和微结构演化过程，针对塑性变形和加工硬化机理，提出了不同的理解，并在此基础上获得了更加优异的力学性能 (图 1(a) 和 1(b))。他们观察到在拉伸加载-卸载的循环过程中形成了迟滞环 (图2(a))，即使在拉伸应力状态的卸载过程中就发生了宏观压缩屈服，这表明HSSS在拉伸变形时存在类似包辛格效应的塑性变形，即形成了背应力。进而，利用原位拉伸同步辐射衍射测试 (图2(b))，进一步阐明了背应力硬化的机制及其随应变的演化过程。结合宏观变形响应，揭示了两相组织先发生弹塑性屈服再共同变形的拉伸塑性过程。同时，电子显微观察和同步辐射衍射分析均表明，超细晶的FeAl(B2)金属间化合物是可以进行位错协调变形的。最后，他们提出这种高比强度钢具有复合材料式的拉伸变形特征，即在拉伸变形过程中发生载荷分配和应变分配，应变硬化机理包括背应力硬化 (图2(c)) 和晶粒内部的林位错硬化、而非第二相强化。这些认识对深入理解高比强度钢的变形物理提供了新的思路，对含金属间化合物强化相的轻质高强钢微观组织设计和强韧化提供了有价值的建议。论文评议人认为“This is a carefully conducted piece of work on a very interesting and novel type of weight reduced alloy. The data and the discussion are mostly of high quality and the paper should be clearly considered for publication in Acta. I wish to applaud the team for their nice work.”

　　该研究得到了国家自然科学基金、科技部973计划等项目的资助。研究结果已在线发表在Acta Materialia期刊。

图1 高比强度钢的力学性能和微结构。(a) 冷轧后不同热处理状态下的工程应力应变曲线 (其中Kim教授发表在Nature, 2015上的结果用虚线表示来作为比较)。 (b) 比强度vs. 均匀延伸率。 (c) 高比强度钢的金相照片(其中白色表示层片状或者颗粒状的B2相)；插图为电子背向散射衍射图像(其中标有彩色的为B2相)。

图2 高比强度钢的塑性响应和加工硬化。(a) 拉伸加载-卸载-再加载测试中的类似包辛格效应迟滞环(卸载应变22.3%)；反向压缩屈服应力由黑色圆圈指出。(b) 原位X-ray衍射测试得到的γ和B2相中拉伸方向的晶格应变随施加应变的变化规律；其中第一到第三阶段分别代表弹性变形、弹塑性屈服以及共变形阶段。(c) 背应力以及背应力硬化率vs. 真应变；总流动应力和总硬化率随真应变的演化规律同样展示作为比较。

   中科院理化所仿生智能界面科学实验室与北京航空航天大学机械工程及自动化学院的研究者合作，在仿生研究领域取得新进展。研究成果于近日在国际权威期刊《自然》（Nature 2016, 532, 85-89）发表。

　　猪笼草，因其拥有一个独特的能够捕食昆虫的器官——捕虫笼而得名，其“嘴唇”区光滑，昆虫极易“失足”滑落笼内，被笼内分泌的消化液分解吸收，从而满足营养需求。哈佛大学的研究者曾模拟猪笼草“嘴唇”研制超润滑材料，然而猪笼草“嘴唇”为何能长时间保水储水保持湿润？科学界还不曾有深入探究。中科院理化所与北航科学家最近的研究结果揭示了这一神奇的自然奥秘，通过解析猪笼草“嘴唇”的微观结构，揭示了猪笼草“油嘴滑虫”自动搬运液体、致使昆虫无法驻足而滑落入笼的机理，并建立了液膜输运的理论计算模型。

　　研究发现，猪笼草“嘴唇”具有连续搬运能力是其保证湿滑、让昆虫类动物站不住脚的根源。这种奇特的定向搬运液体现象是因为其表面独特的微纳结构——楔形盲孔组成不对称沟槽。在此发现基础上，合作团队模拟猪笼草口缘区表面结构进行了压印成形，成功复制了猪笼草口缘区的工作机制，使生物功能转移制造成为现实。并进一步对这一现象进行了数学分析计算和模型建立，使人类广泛应用猪笼草“嘴唇”的功能成为可能。这一新的发现对于开发设计新型定向流体输运系统具有指导意义，在农业滴灌、无动力的微药物传输等领域具有广阔的应用前景。

    图1. a)猪笼草能够捕食昆虫的捕虫笼；b,c) 液膜在猪笼草“嘴唇”区定向连续搬运过程

               图2. 猪笼草“嘴唇”区周期性的不对称微观结构