
渗流、多相流是重要的复杂流体系统,在工农业、生物、地质及环境系统工程中有广泛存在和应用。作为这一领域的专家,尹小龙及其团队使用数值模拟和实验方法来研究这些复杂流体系统,取得了令人瞩目的成果。
尹小龙坦言,多学科背景是提高研究深度和广度的关键。

在兰州完成高中学业后,因为在全国物理竞赛的优异表现,尹小龙被保送到北京大学的力学系学习。在北大期间,他就对流体力学研究中涌现的各种研究方法和思路深深着迷。本科毕业后,他前往美国深造,分别获得理海大学的机械工程硕士学位和康奈尔大学的化学工程博士学位。
从力学、机械工程再到化学工程,不同专业背景帮助拓宽了尹小龙的眼界和知识。获得博士学位后,尹小龙前往普林斯顿大学化学工程系进行博士后研究,并最终确定了自己对渗流和多相流问题的研究兴趣。结束博士后研究后,尹小龙加入科罗拉多矿业学院石油工程系,并在这一方向上,耕耘至今。

石油天然气工程研究的渗流力学对象经常处在比较极端的环境条件里。我国自有的石油天然气资源,开发条件非常困难。国家的“十四五”规划,强调要做深海深地。深海深地环境和石油天然气资源开发有很多的联系。在深海深地的条件下做实验,非常昂贵且艰难。模拟和仿真在这种情况下,就特别有价值。研究一方面要通过实验来获得真实的数据;另一方面,通过设计流动的数学物理模型,来模拟和仿真流动过程。对流动过程了解越多,模型可以做得越好,预测就能越准确、快速,对工程设计就越有帮助。这同样适用于多相流研究。不过多相流的实验,因为环境没有那么极端,相对好做一些,实验数据比较多。
模拟的优点是,它在环境条件、控制性和解释性上可以基本完美地克服实验的缺点,各种工程项目的可行性评估离不开模拟。当然模拟也有缺点。对于复杂的多尺度系统,了解所有的物理过程、获得相关参数、并在模拟中全部囊括这些物理过程是不可能的,所以就不可避免的要简化。简化的模型需要验证,这是在研究中实验和模拟两者都需要的原因。对于缺少数据,事实不清的情况,可以使用实验来获得第—手的数据,帮助验证和发展数学物理模型。对于已经有比较可靠模型的问题,则用模拟来代替实验,让研究进行得更有效率。
尹小龙通过数值模拟建立的曳力系数公式,已经被应用于美国能源部开发的多相流模拟开源软件。研究者们如果需要模拟颗粒尺度不一的多相流动情况,都会运用到这一成果。尹小龙谦虚地表示,这归功于有幸在学术生涯开始的时候遇到了很好的导师,引导他走向了这个方向。尹小龙表示,科研之路道阻且长,尹小龙及其团队在渗流领域的工作,也着眼于开发和利用数值模拟,同时利用实验手段,来解决研究中长期存在的痛点问题,通过不断努力的学习和研究保持领先,在未来做出更加出色的成果。

当被问及希望与年轻学者分享哪些经验时,尹小龙举自己作为例子。他在本科学习的是力学。对他而言,流体力学、湍流研究是各种非线性多尺度动力学的鼻祖。湍流研究中涌现的各种研究方法和思路,比如说量纲分析、直接数值模拟、频谱能量分析、多尺度模型、概率密度函数方法等等,在多相流研究中都可以看到各种直接间接应用。
但是,各种动力系统都有各自的特殊情况。湍流的基本动力特征是涡和剪切,多相流的基本动力特征是相对速度和曳力。这决定了在多尺度的考虑上,湍流会对亚尺度的涡和应力来做模型,多相流会对亚尺度的相对速度和曳力来做模型。在渗流的研究中,这些研究思路和方法也在慢慢渗入。这个例子表明,各学科之间在研究思路和研究方法上的相互交流非常重要。研究者必须拥有广泛的知识和兴趣,通过多方面的合作,方能提高研究的深度和广度,促进科技创新和发展。深度的研究成果又能反过来促进跨学科研究,从而探索新的研究领域和解决新的问题,这一可持续的研究范式具有非常重要的意义。
当被问及加入东方理工后有什么计划时,尹小龙描绘了一个“三步走”的蓝图:近期先建设实验室和研究组,顺利启动所选择的研究方向。中期,希望打造可持续性发展的科研范式,确保团队有稳定、高质量的产出,关注新的研究进展,更新自己的研究方向。长期保持两到三个研究方向,确保经费和人员的流动在健康的高水平,解决应用领域中的痛点问题。

尹小龙
东方理工工学部
教授
尹小龙教授毕业于北京大学力学系,在康奈尔大学化学工程系获得博士学位。博士毕业后在普林斯顿大学化学工程系从事博士后研究工作。2009年至2022年在科罗拉多矿业学院石油工程系任助理教授、副教授。2019年至2022年任副系主任,辅助石油工程系的教学科研管理工作。在国际石油工程师协会(Society of Petroleum Engineers)担任过多个委员会职务,参与了SPE绿皮书Reservoir Technologies for the 21st Century的编写。2023年起在东方理工高等研究院任教授。
尹小龙教授的主要研究领域是多孔介质、渗流及多相流。渗流、多相流是重要的复杂流体系统,在工农业、生物、地质及环境系统工程中有广泛存在和应用。微小尺度下的流体流动不仅受到流体内部结构(流变)的影响,也受到外部边界(多孔介质几何结构、流固表面理化性质)的束缚。擅长用数值模拟和实验来研究以上复杂流体系统,建立本构关系和预测模型,优化能源、机械、化工及地学系统中的工程应用。目前的主要研究方向是多组分、多重介质、表面特性对微纳米尺度流动的影响。





