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流体实验的设计
    时间:2016-10-21     点击率:5468

编者按:2016116日,是力学研究所成立60周年纪念日。在1956年的这一天,由陈毅副总理亲笔签署的国务院批复文件下达,中国科学院力学研究所正式成立,钱学森先生担任首届所长。在力学所走过的一甲子年间,力学人遵循钱学森的工程科学办所思想,为推进中国的近代力学事业、为推动中国的经济国防建设,做出了重要的贡献。力学所离退办和老科协力学分会向在力学所离退休同志征集回忆文章并编辑了纪念文集。老一辈力学人以国家需求为己任、艰苦创业和奋发拼搏的精神,是力学所60年奋斗史的精髓。本刊在“情系科学”栏目里陆续推出这批作品,以展示普通科技人员的风貌。

流体实验的设计

柳绮年

我们通常把自然科学领域的研究方式分为理论研究和实验研究两类,这两类又是密不可分的。回顾几个世纪的科学发展史,重大的科学发明、发现都是假说——推理——定理的研究过程,它都离不开“实验”研究的求证。美国学者Morris.H.Shamos 在《物理史上的重要实验》(1960)一书中介绍了20多位著名科学家的实验研究,他们从命题、推论、实验研究中获得了定律和理论,这些都无疑证明了实验研究的重要性。获得诺贝尔奖的著名物理学家丁肇中教授在他的《我所经历的物理实验》演讲中,对实验研究做了精辟的论述。他指出:实验是自然科学的基础,理论如果没有实验的证明,是没有意义的。当实验推翻了理论后,才可能创建新的理论,理论不可能推翻实验。过去400年,我们对物质基本结构的基本了解,大都来自于实验物理。

在近代流体力学研究中,同样缺少不了实验研究。我国近年与力学相关的新兴产业——高铁、航母、海洋开发、航天飞行器等,它们的研发依靠的是实验研究的成果,只有在大量实验数据的基础上,才可能研制出可靠的产品。与这些现代顶尖科学技术配套的是庞大的实验系统、测试技术和顶尖的实验科学家。作为在实验室工作数十年的普通工作人员,我更有切身体验:科学没有捷径,不能投机取巧,如果你不踏踏实实地准备实验和完成实验,你将一事无成。我们的前辈——钱学森、郭永怀所长,都非常重视实验研究,是我们学习的榜样。记得郭所长星期日常常到各个实验室来视察,让我们汇报工作进展并给予具体指导。在力学所从事研究工作的我们,绝大多数都十分爱岗敬业,把实验研究当作自己毕身的事业,从繁琐的、重复的小事做起,兢兢业业,这就是我们的时代精神。

我在实验室摸爬滚打了几十年,既积累了经验,也磨练了意志。我想要取得研究的成功,首先就要设计好实验,概括地说,流体实验模拟的主要基本动力学相似参数——速度(或马赫数)、雷诺数、弗劳得数等必须相等,当然几何相似也是必要条件。其次,针对所研究的对象,提出合理的可行的实验方案,包括实验设备、测试技术和数据处理。它是一个系统工程,要求研究者除了具有良好的流体力学基础,还应有较宽广的光、机、电知识,特别还需有较强的动手能力。研究成功与否,只有实验来检验。现在有的年轻人忽略了做实验,以为在电脑上做点计算就可以获得创新的成果。其实,实验研究是那么的有趣!有时得到新的结果让你兴奋,有时又无情地让你毫无作为,你重复了别人的实验就没有任何价值,非常残酷。你想出的好方法,用在实验结果中才体现它的价值。如何在实验中取得成功呢?我觉得一项研究把实验方案设计好了,就有70-80%的成功把握了。实验设计的过程甚至比结果更重要,有些我亲历的过程在记忆中是永远抹不去的。

移花接木  上世纪60-70年代,我国不仅科技落后、信息闭塞,而且物资匮乏、资金短缺,工作中的困难可以想象。我们在激波风洞中测量压力,依赖一台极珍贵的进口测量仪器,但是小量程、快速响应的压力传感器价格昂贵,据说高压传感器一个约150美元。我们需要从低压到高压的不同量程的传感器,不可能花那么多外汇进口它们,必须自己研制。起初,我们曾在所内请测量专家协作,由于实验段内流场复杂,又有电磁场干扰,用了2年时间尝试也没有成功。后来,一个偶然机会,我们看到丹麦进口的拾振仪用的传感器,它结构合理,把敏感元件——压电晶体片镶嵌在半封闭金属腔内,在压电晶体片的前面加一片极薄的膜片来感受压力,而不是把晶体片直接暴露在流场中承受干扰。受到启发,我们移花接木,试着设计了一个可用于激波风洞测量的类似结构,找北京一家小型仪表厂来加工,自己组装成传感器并进行标定,果然解决了问题。按照这种原理,后来又设计了大小不同量程的压力传感器,进一步把它镶嵌在模型表面,从而测量出表面压力分布,为完成军工任务出了力,取得了很好的效果。

因地制宜  我们的研究课题一直在顺应学科的发展,特别是半个世纪以来流体力学不断在交叉学科中寻找新方向。上世纪70年代末,我所要建立地球物理流体实验台,任务落在我们课题组。可是,地球尺度如此庞大,大气、海洋运动的现象和规律如此复杂,怎样在实验室进行模拟和重现呢?在这里,平台要模拟地球旋转的科里奥利惯性力,平台的转速很低,同时要特别平稳,在平台上放置水槽,要模拟海洋运动,但又不允许水面有抖动和波纹,与此同时,在水槽中放置实验模型,如陆架和岛屿地形等,流动现象也需同步测量和记录。这些都是对实验技术的考验。

当时国内只有中科院大气所有一台模拟大气运动的平台,据说由国家计量院的设计师帮助设计,造价相当昂贵。另外,他们的实验室有地下室,长长的主轴由电机驱动和滑动轴承传动伸向地下室,精度高也很稳定。而我们的实验室在所大楼的2层,不可能将楼板打通,只能在有限高度上建平台。我们只好四处寻求技术途径,正在走投无路之际,打听到大型雷达底座上用直径500毫米的滚动轴承,旋转精度高且平稳,在北京房山某军工厂生产。由于工厂大力支援,只收了2千元的工本费,我们就得到了这种轴承。

以滚动轴承代替滑动轴承是“因地制宜”的一个典型。多年后我们在和工厂合作中,常常就地取材,解决现场出现的问题。我们的平台以轴承为装置的核心,又选用了高精度力矩电机作驱动,我院自动化所科研人员为我们研制了可控硅闭环速度调控仪。在旋转平台上的工作区是直径1米、高0.3米的水槽,为了便于观察实验,旋转台底架上接出直径2米可以站人的同步旋转地板,实验所需的照明、摄像、测试系统也安装在平台上,能同步工作。我们的这台装置是国内首个用于海洋物理流体研究的平台,其转速范围Ω=0.1-2.1弧度/秒(约0.5-20圈/分);平台的精度高,其径向与轴向最大偏差约0.05mm。由于选择的设计方案因地制宜,合理而先进,为实验研究打下良好基础。英国剑桥大学著名的流体力学家G.K.Batchelor 教授,是第一位参观我们实验室的外宾,他对我们的实验给予了高度评价。据此,中科院与英国皇家学会签订了合作协议,互换访问学者,进行地球物理流体的研究。上世纪80年代初我在美国南加州大学访问,他们的实验室有同类型的旋转平台,但装置不比我们的更先进。后来我们在这座自行研制的平台上进行了多项研究,用实验观察到的现象,与海洋观测和卫星云图的图像达到某种相互验证,研究结果发表论文多篇(参见:力学学报1981,第6期,p.6111983,第2,p119)。我们的工作还得到国内外同行的肯定,1992年获得了中国科学院自然科学二等奖。由于课题变迁,旋转平台工作了十多年完成了它的历史使命,1996年正值中国海洋大学需要,我们毫无保留地把平台转让他们,让它为地球物理流体力学研究发挥更好的作用。

勇于尝试  上世纪80年代初,由于流动可视化技术的开发和应用,使过去依赖传感器在模型上或流场里以点或面接触测量参数的方法,变成全场的3D视场方法,使复杂流场的结构能在显示屏上更直观地一目了然,流场的信息量也扩大了无数倍。众所周知,在流槽中放入示踪粒子,用暗场片光源照射流场,如果用相机拍摄,定格在画面上的是众多无序粒子运动的迹线。但是如何从瞬息变化的迹线提取流场数字化的参数?这在实验研究中难度非常大。目前国内很多研究机构或大学都掌握了激光多普勒测速技术,获取复杂流场瞬间的速度分布图像,就像医学检查中用CT或核磁对人体局部扫描那样,获得可靠直观的二维影像学结果。不过医学所研究的对象是静态的,我们则是要取得动态过程的图像。但是在80年代初,不仅我们国内没有,即使在美国大学实验室也很少有激光多普勒测速仪。当时我碰到的课题是处理均匀格栅湍流尺度衰减问题,要用可视化技术描述整个场的变化。湍流场中流动本来就是紊乱和随机的,粒子运动的轨迹也是无序的,怎样才知道湍流衰减的规律和它的尺度变化?我考虑应该从流动随时间演化的图像变化着手,本来暗场中只有片光源照射下的粒子在黑白底片上是一条曝光的亮线,但此亮线无法判断粒子运动的走向。我做了大胆的尝试,在暗场照相同时触发相机的闪光灯,使每一条亮线的开端有更强的亮点。因为粒子运动速度约为0-10毫米/,相机快门的曝光速度设在1/41,而闪光灯的触发脉冲在1/125秒,极短的瞬间停留在底片上只是一个亮点而非亮线,这样就把亮线和亮点在瞬间叠加了!拍摄到的图片上得到许多“大头针”的亮线,使粒子的运动走向带有“标记”了,这样我们就记录到了格栅运动流场按时间序列变化的过程。通过数字采集板(Digital Pad),手工输入(人工干预判断)粒子轨迹的起点和终点,把图像中的每一颗“大头针”输入到计算机终端去采集,即把图像转换成数字信息,再通过程序计算,获得了粒子运动速度在某瞬间的VxVy分量。非常幸运的是,在一个时间周期后,湍流逐渐衰减的规律被找到了,获得了意想不到的结果。我完成了教授的研究计划,结果很快发表在学术期刊上(参见 J. Geophysical Research,V92,No C5,1987)。现在看来,这是一个非常初级的简单技术,用手艺人的说法是“纸一捅就破”的技术,不值钱,但它简单、易行、廉价,而且很快就取得了研究所需的数据。我觉得在实验研究中需要不断去尝试新的技术和方法。多年后,这项技术还成功用于处理方坯连铸水模研究中;清华大学的同行还问我,你的技术很实用,怎么不申请专利啊?我觉得被更多的人应用就是最好的回报。

现代科技进步突飞猛进,有更好的条件进行实验研究,我希望更多的年轻学者,勇于创新,献身实验研究。我欣赏乔布斯的一段话:你不可能充满预见地将生命的点滴串连起来;只有在你回头看的时候,才会发现这些点点滴滴之间的联系。我坚信,年轻的学者肯定会比我们这一代做得更好!

关于作者——柳绮年简历

柳绮年 江苏省人,研究员。1960年毕业于北京航空学院飞机设计专业,分配至中国科学院力学研究所工作。历任课题组长、项目组长、研究室副主任等。在超音速风洞、激波风洞、化学流体、地球物理流体、微重力流体等相关领域,从事实验研究,发表论文30余篇。1983-85年间,在美国南加州大学宇航工程系任访问学者。1992年荣获中国科学院自然科学二等奖。1993年授予有突出贡献的专家,享受国务院颁发政府特殊津贴1988-2008年,任中国力学学会流体力学专业委员会实验流体组委员;空气动力学会流动显示专业委员会委员;《力学与实践》、《实验流体力学》杂志编委。