问题描述
从微观的角度，流动的本质为分子的运动与相互作用，然而，巨量分子运动与碰撞的系统效应在宏观上表现出多尺度、非平衡特征，形成复杂的流动结构。尤其对于稀薄气体流动和湍流，存在着显著的非平衡流动现象。譬如，稀薄气体分子自由程较大时，连续介质假设失效，分子与壁面相互作用在壁面出现速度滑移和温度跳跃；湍流中涡流大小不一、方向多变，涡旋不断产生、破碎和衰亡，展现出强烈的无序、随机和多尺度特性。因此，考虑分子运动离散性，研究稀薄气体分子单/多组分间碰撞过程、不同条件下分子-壁面相互作用机理；基于多尺度分析手段，开展湍流转捩、大尺度流动分离机理研究；探索多尺度非平衡流动的输运机制和共性问题，建立气体分子或流体微团间相互作用与宏观复杂流动特性之间的联系，从而提高对复杂非平衡流动形成和演化机理的认识，完善多尺度流动基础理论，促进多尺度非平衡流动相关学科的进步。
问题背景
多尺度非平衡流广泛存在于自然界中，如湍流、风沙、等离子体流、燃烧、稀薄气体流动等。多尺度非平衡流动是流体力学学科中重要的研究方向，也是自然科学领域研究的前沿尖端和重要挑战，不同尺度的流动交织形成复杂的非平衡系统，提升了理论研究的难度。多尺度非平衡流动输运机理的研究不仅具有极高的学术价值，在不同领域的工业应用场景中也反映出迫切的理论支撑和指导需求。在汽车、气象和化工等领域，无序、复杂的湍流现象非常普遍，对汽车外形设计、天气预报精度、大气污染物扩散、化学反应效率等具有重要影响，且湍流表现出强烈的多尺度非平衡特征，如涡旋结构的相互作用和演变、能量级联、流动间歇性、湍流扩散以及动态失稳等；在高空大气稀薄效应显著，气体不能看作连续介质，传统的纳维-斯托克斯方程组失效，输运过程气体分子离散效应凸显，流动剪切、传热表现强非平衡特征，如稀薄状态壁面出现速度滑移和温度跳跃等；并且，稀薄气体动力学在微电子和纳米技术中影响着诸如加速度计、陀螺仪等微机电系统部件的设计和优化以及半导体制造蒸镀、刻蚀过程中近真空条件系统的设计。另外，在化工和过程工程、环境和天体物理学中涉及的多组分气体流动、颗粒流、辐射输运、等离子体流动等也都体现了相似的多尺度、非平衡流动特征。因此，针对不同领域涉及的多尺度非平衡流动现象，需要聚焦的问题有：（1）多尺度非平衡流动表现的特征具体是什么？（2）多尺度非平衡流动形成和演化的机制是什么？（3）不同流动产生非平衡的机理是否具有共性，能否采用统一模型进行归纳描述和解释？
最新进展（截止问题发布年度）
当前对多尺度非平衡流动的研究手段主要包含三个方面：理论分析和建模、数值模拟、实验测试和分析。稀薄非平衡流动研究中理论分析和建模一般以玻尔兹曼方程为基础，考虑简化模型或基于物理建立唯象模型，或在近平衡态对分布函数展开研究非平衡的渐近过程；数值模拟手段主要有直接模拟蒙特卡罗方法、离散速度方法、矩方法、混合方法和最新提出的波粒多尺度方法，以及针对底层微观机理研究采用的分子动力学模拟等；实验方法主要包括低密度风洞实验观察和测量、分子束实验等。湍流的理论研究包括开发不同种类的湍流模型，如零方程模型、一方程模型、两方程模型以及雷诺应力模型等，通过分析湍流流动的不同尺度，包括能量级联、惯性子区、能量溢出等概念来理解湍流的物理特性，使用统计方法来描述湍流的特性，包括雷诺平均NS方程和各种相关函数以及频谱分析等；数值模拟方法主要有直接数值模拟、大涡模拟、雷诺平均NS模拟等，利用高性能计算模拟复杂的湍流问题；实验手段主要有风洞/水洞实验，利用各种测量技术，如热线风速仪、激光多普勒测速仪和粒子图像测速技术等，来研究湍流特性。随着机器学习的发展，机器学习也成为了开展多尺度非平衡流动输运机理研究新的技术手段。本质上，流动的宏观特性都来源于微观分子、能量粒子、流体微团或微元结构的运动和相互作用在宏观的系统效应，无论是稀薄气体流动、湍流、辐射输运、等离子体，其输运过程存在着一定的相似性，输运机制共性问题的探索有望实现流体力学学科的理论创新和突破，提高对复杂系统多尺度非平衡现象的认识，促进相关领域科学技术的进步。未来面临的关键难点和挑战有：极端条件下高质量实验的实现和成本消耗、大规模非平衡流动数值模拟的多尺度模型和数值方法的构造、非平衡效应的描述和多物理场耦合问题、以及非平衡输运机制共性点的分析和建模等。
重要意义
对稀薄气体、湍流等多尺度非平衡流动输运理论的深入研究，建立从微观到宏观、底层流动机制到复杂流动系统的关联，能够为流体力学领域基础研究提供新的视角，进而推动流体力学、统计物理和热力学等领域基础科学的研究；输运机理的研究有助于人们更加深入地理解非平衡流动的本质，通过揭示基本原理和规律，更好地理解复杂系统的行为和特性；多尺度流动问题的共性问题的探索和解决能够促进相关领域科学技术的进步，譬如，提升流动稳定性和控制性，提高机械设计效率，降低燃料消耗或减少运行成本，延长使用寿命以及增强可靠性等。
