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做力学,要走一条自己的路子
    时间:2017-12-6     点击率:99

者按:2016116日,是力学研究所成立60周年念日。在1956年的一天,由毅副署的国院批复文件下达,中国科学院力学研究所正式成立,学森先生担任首届所。在力学所走的一甲子年,力学人遵循学森的工程科学所思想,中国的近代力学事中国的经济国防建,做出了重要的献。力学所离退和老科力学分会向在力学所离退休同志征集回文章并编辑念文集。老一力学人以国家需求己任、创业奋发拼搏的精神,是力学所60斗史的精髓。本刊在“情系科学”目里陆续推出作品,以展示普通科技人貌。

做力学,要走一条自己的路子

王柏懿

时光如白驹过隙,一眨眼,我们已经进入耄耋之年!我这一生,从1964年分配到力学所开始,便把自己的命运和力学结了缘。其实,时间还可以回溯到更早一些:1957年苏联第一颗人造卫星上天,让刚刚升入高中二年级的我就产生了从事航天事业的梦想,所以1959年高三毕业时就毫不犹豫地报考了中国科学技术大学力学系,因为那时中国的火箭之父——钱学森就是力学系的系主任。我如愿地考入了中国科大力学系,如愿地进入了高速空气动力学专业,又被分配到中国科学院力学研究所十一室,在所里从事流体力学研究工作直到2001年退休。其实,退休以后到现在,我依然在力学所工作着,起先的7年是继续做课题研究,后来的7年是改换做老科协工作,诸如写所史、搞科普、做咨询,大体上没有脱离力学范畴。所以,可以说,我这一辈子只为一事而生:力学。

回顾这几十年的力学生涯,根据国家任务的需求,我做过许多不同领域的课题,例如电弧风洞流场特性、等离子体诊断(静电探针,微波技术)、通讯中断减轻途径、气固两相流动(边界层,激波传播)、高速气水两相射流等等。尽管它们大体在流体力学的范畴里,但是涉及的科学问题和研究方法差异还是很大的。特别是,许多课题都是第一次遇到,如何开展?怎样切入?皆是我们进行力学研究时首先要解决的问题。而且,随着研究工作的持续,如何进一步深入?怎样进一步拓展?也是我们从事力学研究过程中时刻要思考的问题。

我个人的体会是:搞力学研究要仔仔细细地分析所研究的物理现象、反反复复地思考所涉及的力学机制,不要迷信前人更不可照搬前人做法,一定要努力探索自己的路子,而且坚持不懈地尝试前行。这就是科学家和工程师的不同之处,因为他们的使命和职责是有所分工的。这里以自己进行水下航行体力学环境研究课题为例,说说自己的心得体会。

这个课题从1993年起步一直做到2008年,前后完成了航天三院三部的六个合同任务,开始是为“八五”的YJ82型号服务,最后是为“十一五”的YJ18型号工作,当然我们做的都属于预先研究,是为型号设计提供一些必要的参数和数据。在这十数年间,我们和三院三部的课题组的合作成果,先后获得了一个航天工业总公司科技进步二等奖和一个国防科学技术进步二等奖。对于一项在型号部门完成的预研工作而言,这种肯定是十分不易获得的。更令人欣慰的是,这两个型号都展示在国庆60年阅兵式方阵里。这不就是我们在力学领域从事国防预先研究工作的人所追求的梦想嘛!

现在来回顾与航天系统共事开展合作研究的经历,作为科学院搞基础研究工作的我们,怎样能和型号研制部门的他们保持这样长的友好合作关系呢?要知道我们力学所并非是三院三部的传统合作单位,在我们之前,无锡的中船总702所,北京的航天科技701所和上海的交通大学等单位已长时间与他们有所合作。而且,坦率地说,在水下航行体运动与发射问题的研究方面,我们的基础与条件远不如上述这几个单位。例如,中船总702所有全国最大的水池,航天科技701所专门建设了一个可模拟水面点火发射的大型真空罐装置,上海交大则有以何有声院士为首的研究团队一直在从事相关的理论与计算研究。我们该如何切入这个领域又如何保持这个阵地呢?我认为,创新的思维和特色的工作是关键因素。

刚起步之初,没有试验设备的积累,我们只从事理论分析工作。根据三院同事的介绍,当时搞水下航行体问题研究的同行们在处理航行体推进器(火箭)喷流时均采用“燃气泡”模型。这是美国在上世纪50-60年代提出的一个模型,其基本思路是依据从火箭发动机喷出的燃气的质量和压力等参数做静力学平衡计算,来估计在航行体后面拖着的这个“气泡”到底体积有多大?形状为何样?而且还算出了燃气泡形状随时间的变化。我在仔细分析了水下航行体火箭喷流的性状之后,告诉三院的同事:这样的模型对于考虑航行体的水弹道问题而言还是可用的,但是若要描述计及推进器喷流效应的航行体力学环境,这个模型就不行了。因为燃气喷出的速度很高,马赫数在2以上,和周围的水体有强烈的相互作用,这是个动力学问题。通过文献调研,我们确定在这种速度条件下,气体从水下孔口泄放到无限水体中的流态不会是bubbling(泡流区制),早就进入jetting(射流区制)了。我对三部的同事说:“如果要我来做,我就要按照高速射流的机制来研究这个问题。”这样,我们从一开始接受这个课题起,就选择了一条新的思路。这样,不仅使型号部门的同事感觉到工作有新意,也使得我们自己的研究可以一直走下去。

于是,我们就提出了水下高速气体射流模型,并在这个框架下开展了一系列研究。显然,这个“高速射流模型”比“燃气泡模型”涉及的力学现象与科学内涵要丰富得多,当然研究工作的内容也要复杂得多。高温燃气从火箭尾喷口射出后,由于和周围静止水体有巨大的速度差,在剪切作用下要发生气水掺混,混合层包括“泡层”和“滴层”两个部分。在外围的泡层中,主要是水,散布着小气泡;在里面的滴层中,主要是气,弥散着小水滴。在靠近喷口的射流初始段,中心轴线附近的核心区里,充满着未掺混的燃气。随着混合过程的发展,在远离喷口下游的充分发展区,整个射流截面上都是气水两相介质。显然,研究两相气水射流要比单相气体射流要困难得多。对于燃气喷流问题,火箭的运行工况也是必须计及的,因为在实际工程问题中发动机往往有非适配情况出现,此时喷口压力会高于或低于环境背压(即射流气体处于“过膨胀”或“欠膨胀”状态),那么在高速射流核心区内的气体中将会出现激波胞格结构。但这是研究型号工程问题不能回避的情况。的确,新模型要考虑的流动现象、要涉及的科学问题是相当复杂的,但是它更为真实地反映了水下航行体在火箭运行期间的力学行为。我们基于这个水下高速气体射流模型,开展了数值模拟计算,向型号部门提供了水下航行体周围的流场结构,给出了速度、温度和压力的分布,展示了马赫盘等激波胞格结构的图像。

三部搞型号研制的同事们第一次见到这样的结果,他们十分满意,又接着给我们下达了第二个任务:实验研究!为此,我们专门建造了一个模拟实验装置,包括小型水槽、可移动支架和供气系统,按照缩比尺寸要求加工了超声速喷管,还研制了细丝静压探针来测量射流轴线上的压力分布,又利用伽马射线仪测量射流不同截面上的空隙率径向分布。实验数据和理论计算基本相符,这些结果交到三部以后,他们很高兴,不仅接受了这个新概念,而且在他们的合作单位中广泛宣传,从此上海交大等合作单位也都按照水下高速射流这个思路开展研究工作了。这样,我们就在三部站住了脚,从1993年开始做到了2008年。

从上述过程可以看到,对我们从事基础与应用基础研究的人来说,接到一项新的课题或任务,一定要独立思考,找出最基本的过程、最本质的问题、提出最合理的模型,才能做出有特色的工作。这对于后续的工作也十分重要。例如,三院三部后来又提出让我们考虑水下航行体的噪声问题、在充水发射筒内启动问题等等,我们都很好地完成了,而基于的理论模型一直是这个气水两相射流模型。尽管其中涉及的科学问题更多了,例如射流不稳定等,但仍可以在这个框架下进行。以噪声问题为例,早在50年代Lighthill就开创了气动噪声这个领域。当时主要是探讨湍流噪声,近年来人们又揭示了啸叫声的存在。这些噪声都是和射流流动相关联的,前者是由于剪切混合造成的,后者是由于激波胞格引起的。所以,流动模型的重要性不言而喻:如果按照“燃气泡”模型,就无法研究噪声问题;但是按照“高速射流”模型,我们可以延续同一个思路做下去,只是考虑的问题不同而已。这样,我们又进行了数值模拟计算并建造了一个中型水槽开展实验模拟研究,然后比较二者结果以验证模型的正确。

最后,谈一下充水发射筒问题研究,这也是气水两相流动问题,尽管前人研究很少,但是我们分析后认为:和以前的燃气在环境水体中喷射情况不同,现在要考虑燃气在发射筒里面喷射情况。这是个有限空间中的冲击射流问题,而前者是无限空间中的自由射流问题,依然可以保持流动模型框架不变只是改变边界条件而已。这是我在水下航行体力学环境研究领域做的最后一个课题,只做了实验研究,为此我和课题合作者戚隆溪一起,设计建立了一个十分新颖的模拟装置,采用有机玻璃制作了缩比的发射筒模型(有单筒和同心筒两种结构),其中安置了带有传感器的缩尺全航行体模型,航行体尾部的喷管可以按要求射出各种工况的高速气流。这样,我们不仅可以测得必要的压力数据,还可以清晰地观测到筒内流场的演化过程并用CCD相机采集下来,从而为有关单位的数值模拟验证提供了重要的参照数据。这个项目一直做到2008年。那时,我已经退休了多年,而且一起做这个研究项目的戚隆溪又于2007年因癌症去世。为了这个项目,戚隆溪不顾自己晚期癌痛,一直坚持亲自完成全部设计、画完整套图纸,甚至躺在病床上还和工厂的师傅谈论加工问题。装置安装调试工作顺利完成,很快就开始了正式试验。尽管此时戚隆溪已经不在人世了,但我相信当他在天堂里看到我和学生刘明把任务完成时会欣慰的。我把第六个合同结题后,就彻底离开了研究岗位。不过,我已经把和三院三部合作的关系转移到年轻人手中,相信他们会做得更好。

此后,我便开始了以写所史、做科普等“老有所为”的另一段生活历程,但希望我们做科研工作的经验能对后来人有点启迪。所以,我想对正在从事力学研究的年轻人说的一句心里话是:做研究工作,一定要努力探索自己的路子,要有创新思路,要做特色工作!对于合同任务要如此,对于基础研究也应如此。

关于作者——王柏懿

简介:王柏懿,研究员,女,1941年出生,籍贯浙江绍兴。1964年毕业于中国科学技术大学近代力学系,同年分配到中国科学院力学研究所从事研究工作。1994-2001年任中国科学院力学研究所副所长,分管科研管理工作。2001年退休。2008年开始任中国科学院老科技工作者协会力学所分会理事长,2010年开始任中科院老专家咨询团副团长。

20175月摄于南京