【纪要】吴雷博士 (University of Strathclyde) 学术报告精彩回顾
2017年9月23日，英国思克莱德大学 (University of Strathclyde) 吴雷博士受邀来到北京市海淀区花园路6号院，向大家介绍最新科研成果，并与参会师生热烈讨论，讲座由许爱国研究员主持。
许爱国老师主持吴雷博士报告会
吴雷博士分别于2005年6月和2008年2月获得浙江师范大学物理学学士和硕士学位。硕士期间师从张解放教授，主要基于非线性薛定谔方程研究光学系统和玻色-爱因斯坦凝聚中的孤子动力学。毕业后在浙江农林大学天目学院执教物理至2010年8月。同年11月开始在英国Strathclyde大学机械与航天工程系攻读博士学位，师从张勇豪教授和Jason Reese教授，主要研究Boltzmann方程的数值解法。因解决了困扰京都学派二十多年的高努森数下Boltzmann方程的快速准确数值模拟问题，于2013年9月以论文《经典和量子气体非平衡流动的快速确定性模拟方法》通过博士论文答辩，得到了答辩主席日本京都大学Shigeru Tataka教授的好评。在一年半的博士后之后，被聘为Strathclyde大学的Chancellor Fellow和讲师。在过去的7年中，吴雷博士在稀薄空气动力学建模和快速数值模拟方面做出了较大贡献，成功使用快速傅立叶方法求解各种分子作用势下的Boltzmann方程及描述稠密气体非平衡效应的Enskog方程。尤其在气体微流动数值模拟方面，吴雷博士发展的算法在应用范围和计算效率均优于麻省理工学院Hadjiconstantinu教授提出的低噪声直接模拟蒙特卡洛 (DSMC) 方法。目前吴雷博士已经发表SCI论文近50余篇，其中包括6篇Journal of Fluid Mechanics，6篇Journal of Computational Physics，15篇Physics Review A/E和2篇New Journal of Physics。
9月23日上午，吴雷博士在花园路六号院科研楼814报告厅作了题为“Deterministic Numerical Simulation of Gas Kinetic Equations and Applications”的2小时专题学术报告。在报告中，吴雷博士介绍了Boltzmann方程的快速数值模拟方法及其应用（from the Heaven to Underground, Classical to Quantum）。主要内容包括（报告ppt可以在吴雷博士的ResearchGate主页上下载，点击阅读原文）：
1）发展快速傅立叶方法求解Boltzmann方程以及描述稠密气体的Enskog方程；
Boltzmann方程是非平衡统计物理的重要方程，奠定了热力学第二定律的基础。上世纪以来更成为研究稀薄气体动力学的基本方程，在航空航天、微机电系统和页岩气开发中有着重要应用。但该方程的直接数值求解一直是人类面对的重大挑战。吴雷博士在报告中详细介绍了如何使用快速谱方法计算Boltzmann方程的碰撞项，并用大量的数值计算实例说明了该方法的精度和速度。吴雷博士指出，在单组份气体微流动模拟方面，快速谱方法要比麻省理工学院Hadjiconstantinu教授提出的低噪声DSMC方法快10到50倍；并且快速谱方法能处理分子之间的真实作用势（如Lennard-Jones势以及用从头计算方法得到的分子间作用势），以其能研究多组分气体间的相互作用等。
2）计算费米气体的非平衡振荡行为，首次成功解释卡文迪什实验室的相关实验；
与玻色-爱因斯坦凝聚中玻色气体可以冷却到绝对零度左右不同，目前实验中实现的量子费米气体的温度较高，因此热运动不可忽略。吴雷博士首先用简化的量子气体动理论方程计算了准二维费米气体的四极振荡，并把数值结果与剑桥卡文迪什实验室的结果进行比对，得到了量子动理论方程的适用范围。最后吴雷博士直接求解了描述两组分费米气体的量子Boltzmann方程，指出了不同s波散射长度下不同自旋间费米气体的散射动力学。
3）建立多原子气体的动理论模型方程及其在计算瑞利-布里渊散射光谱中的应用；
多原子气体的Boltzmann方程最早由王承书院士和Uhlenbeck提出。因为考虑了分子内部的转动和振动能级，计算量是单原子Boltzmann方程的N4方倍，其中N为多原子气体的内部能级数目。因此在实际的工程计算中，有必要对Boltzmann方程简化。吴雷博士及其合作者首先将用于描述双原子分子的Rykov简化模型推广到多原子气体，随后修正了模型方程中的碰撞项，成功地得到了与直接模拟蒙特卡洛方法一致的激波结构。新模型的另一个重要应用是计算激光与大气分子间相互作用的瑞利-布里渊散射光谱，计算效率是DSMC的1000余倍。在快速计算方法的帮助下，吴雷博士及其合作者首次发现气体分子间的相互作用势对光谱结构有重要影响，该发现有助于提高气体参数测量的精度。
4）首次成功解释Klinkenberg稀薄气体渗流实验结果，揭示影响渗透率的因数。
针对页岩气开采中的关键问题，吴雷博士介绍了多孔介质中气体流动表观渗透率的计算。渗透率是评价页岩气藏商业开发可行性的关键参数，与常规天然气储层相比，页岩气储层孔隙具有纳米级尺度，因此常规的基于Navier-Stokes方程的模拟方法不再适用。研究低孔、低渗页岩的渗透率及其影响因素对提高页岩气的采收效率有着非常重要的意义。吴雷博士及其合作者在大量的理论分析和数值计算的基础上，指出目前通用近似理论的缺陷，并首次给出Klinkenberg1941年经典实验的合理解释。最后吴雷博士对离散速度法（DVM）和多松弛格子Boltzmann方法（MRT-LBM）在模拟气体非平衡流动方面进行全面的比较，从物理和数学本质上说明MRT-LBM的成败及可能的改进方向。
报告会后，来自不同科研单位的同行学者与吴雷博士就快速傅里叶谱方法（FSM）、离散Boltzmann方法（DBM）、离散速度方法、统一气体动理学方法（UGKS,香港科大的徐昆教授，刘畅博士）等方法的建模思想和各自的特性等问题展开了一系列广泛、深入的讨论交流。
吴雷博士与部分参会人员合影
报告人简介：
吴雷博士2010年11月开始在英国Strathclyde攻读博士学位，于2013年9月以论文《经典和量子气体非平衡流动的快速确定性模拟方法》通过论文答辩。在一年半的博士后之后，被聘为Strathclyde大学讲师。在过去的7年中，吴雷博士在稀薄空气动力学建模和快速数值模拟方面做出较大贡献，成功使用快速傅立叶方法求解各种分子作用势下的Boltzmann方程及描述稠密气体非平衡效应的Enskog方程。尤其在气体微流动数值模拟方面，吴雷博士发展的算法在应用范围和计算效率均优于麻省理工学院Hadjiconstantinu教授提出的低噪声直接模拟蒙特卡洛方法。目前吴雷博士已经发表SCI论文近50余篇，其中包括6篇Journal of Fluid Mechanics, 6篇Journal of Computational Physics, 15篇Physics Review A/E和2篇New Journal of Physics。
讲座海报
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