多尺度非平衡流动的输运机理是一个复杂且具有挑战性的研究领域，目前还处于不断探索和发展的阶段。以下是其涉及的一些主要方面：
- 不同尺度下的流动特性：
- 微观尺度：在微观世界里，流动的载体是无数微小的粒子，比如气体分子、液体分子等。在非平衡状态下，粒子的分布不均匀，速度和温度也不恒定，它们不断地进行运动和碰撞。例如稀薄气体流动中，气体分子间的碰撞频率较低，导致分子分布函数偏离麦克斯韦 - 玻尔兹曼分布，从而表现出非平衡特性。这种微观尺度下的非平衡流动行为是理解多尺度输运机理的基础。
- 介观尺度：介于微观和宏观之间的介观尺度是连接微观和宏观的桥梁。在这个尺度下，可以研究流体的微观结构和宏观性质之间的过渡现象。例如，在一些复杂流体中，存在着各种微观结构，如聚合物链、胶体颗粒等，这些微观结构的运动和相互作用会影响流体的宏观输运性质。
- 宏观尺度：宏观尺度上的非平衡流动通常表现为流体的不均匀流动、湍流等现象。湍流中，各种尺度的涡旋结构相互作用，能量在不同尺度间传递并耗散，导致了瞬态和局部非平衡现象。宏观尺度的非平衡流动是我们最容易观察到的，但要理解其背后的机理，需要深入研究微观和介观尺度的行为。
- 跨尺度的相互作用：
- 能量传递：不同尺度之间存在着能量的传递和转换。在微观尺度上，粒子的运动和碰撞会产生能量的交换；在介观尺度上，微观结构的运动和相互作用会影响能量的传递；在宏观尺度上，湍流的涡旋结构会将能量从大尺度传递到小尺度，最终通过粘性耗散转化为热能。理解这些能量传递的过程对于掌握多尺度非平衡流动的输运机理至关重要7。
- 信息传递：除了能量传递，不同尺度之间还存在着信息的传递。微观尺度上的粒子行为会影响介观尺度上的微观结构，进而影响宏观尺度上的流体流动。例如，在化学反应流中，微观尺度上的化学反应速率会影响宏观尺度上的物质输运和能量传递。
- 输运过程的物理机制：
- 扩散机制：扩散是物质在非平衡状态下从高浓度区域向低浓度区域传输的过程。在多尺度非平衡流动中，扩散机制受到多种因素的影响，如流体的性质、温度、压力、浓度梯度等。此外，在微观和介观尺度下，扩散机制可能与宏观尺度下的经典扩散理论有所不同，需要考虑粒子的布朗运动、微观结构的阻碍等因素。
- 对流机制：对流是物质在流体流动作用下的传输过程。在非平衡流动中，对流机制与流体的速度场密切相关。不同尺度下的速度场分布不均匀，会导致对流输运的复杂性。例如，在湍流中，涡旋结构的运动使得流体的对流输运变得非常复杂，需要采用特殊的理论和方法来描述。
- 热传导机制：热传导是热量在非平衡状态下从高温区域向低温区域传输的过程。在多尺度非平衡流动中，热传导机制受到流体的热物性、温度梯度、流动状态等因素的影响。在微观尺度下，热传导可能与粒子的热运动和相互作用有关；在宏观尺度下，热传导则需要考虑流体的整体热传递特性。
- 数值模拟和实验研究方法：
- 数值模拟：数值模拟是研究多尺度非平衡流动的输运机理的重要手段之一。通过建立数学模型和数值算法，可以模拟不同尺度下的流体流动和输运过程。例如，直接模拟蒙特卡罗方法可以模拟微观粒子的运动和碰撞过程，用于研究稀薄气体的非平衡流动；格子玻尔兹曼方法可以模拟介观尺度下的流体行为，为连接微观和宏观尺度提供了桥梁；基于气体动理学格式的数值方法可以从介观尺度准确描述流体的宏观特性，适用于瞬态流动分析。
- 实验研究：实验研究是验证数值模拟结果和揭示多尺度非平衡流动的输运机理的重要途径。通过精心设计的实验，可以观察到多尺度非平衡流动中的各种现象，如微纳尺度热源附近的声子温度非平衡现象等。实验研究可以提供宝贵的实证数据，为理论研究和数值模拟提供基础。同时，实验技术的不断发展也为研究多尺度非平衡流动的输运机理提供了更强大的工具，如高速摄影技术、激光测量技术等。
