近日，我國開展的大當(dāng)量水下爆炸試驗(yàn)取得圓滿成功，哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院張阿漫教授創(chuàng)立的氣泡統(tǒng)一方程作為本次試驗(yàn)的核心理論再次得到驗(yàn)證。
(資料圖)
為了用一個統(tǒng)一的方程描繪自然界氣泡動力學(xué)的基本規(guī)律，張阿漫從研究生階段開始研究，孜孜探尋18個春秋，終于推導(dǎo)出了氣泡動力學(xué)統(tǒng)一方程。這個簡潔濃縮的數(shù)學(xué)方程，解決了不同源、不同尺度和不同環(huán)境下的空化氣泡、水下爆炸氣泡、微納氣泡等氣泡動力學(xué)特性的理論預(yù)測難題。
18年前，他立志解開氣泡理論之謎
氣泡在自然界廣泛存在，具有力量強(qiáng)大、形態(tài)變幻莫測等奇妙特點(diǎn)，在海洋、先進(jìn)制造、環(huán)境與化工、醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)等許多領(lǐng)域有重要價值。水下爆炸大尺度氣泡能夠產(chǎn)生巨型海嘯，高壓氣槍氣泡是深海勘探的核心難題，空化氣泡是跨介質(zhì)動力學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，可控的小尺度氣泡是前沿生命科學(xué)領(lǐng)域的重要載體，因此，氣泡動力學(xué)是諸多領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題。18年前，攻讀研究生的張阿漫選擇了水下爆炸氣泡動力學(xué)方向，在做實(shí)驗(yàn)的過程中，他發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的氣泡理論預(yù)測結(jié)果與物理實(shí)驗(yàn)之間存在較大偏差，為此，他找遍了國內(nèi)外文獻(xiàn)資料，也沒有找到解決的辦法。
早在1917、1949年，諾貝爾物理學(xué)獎獲得者Lord Rayleigh和著名科學(xué)家M.S. Plesset就曾建立了不可壓縮流場中單氣泡脈動方程，在此基礎(chǔ)上，美國科學(xué)院院士J.B. Keller和M. Miksis于1980年推導(dǎo)了可壓縮流場中單氣泡脈動方程，這些理論在氣泡動力學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。然而，由于氣泡不是孤立的，其力學(xué)行為會受到邊界效應(yīng)、多氣泡、流場環(huán)境、重力等許多物理因素的耦合作用，上述因素會導(dǎo)致氣泡除了原地脈動，還存在可壓縮遷移現(xiàn)象，百余年來，尚未有一個可同時計(jì)入上述各種復(fù)雜物理因素的氣泡統(tǒng)一方程。因此，氣泡理論這一基礎(chǔ)科學(xué)問題長期以來仍未從根本上得到解決。
張阿漫相信，科學(xué)的發(fā)現(xiàn)需要勇氣和毅力，他試圖建立一種能夠計(jì)入上述所有物理因素的氣泡統(tǒng)一方程，但是真正做下去的時候，才領(lǐng)悟到，人類探索自然規(guī)律的每一點(diǎn)點(diǎn)推進(jìn)，從來都是前途未卜的漫漫征途。這18年，他從一個在讀的研究生，成長為一名中年的科技工作者。“人類想洞悉自然界的物理規(guī)律，常常以簡潔的數(shù)學(xué)方程式展現(xiàn)，其優(yōu)美與作用讓人贊嘆不已，這是可以寫在科學(xué)史上值得自豪的事。”張阿漫深知解開大自然的奧秘有多難。
極致探尋從未放棄，他找到揭示氣泡自然規(guī)律的高級表達(dá)
雖然十幾年前張阿漫就有了創(chuàng)立氣泡統(tǒng)一方程的構(gòu)想和思路，但每一次都在推導(dǎo)到最后的時候，因?yàn)閿?shù)學(xué)物理過程太過復(fù)雜而無法進(jìn)行下去。張阿漫作為科研工作者，他當(dāng)然知道，人類對于科學(xué)規(guī)律的探索，都要憑借一點(diǎn)點(diǎn)運(yùn)氣，但更多的時候，往往是一場無疾而終的徒勞。他也知道氣泡動力學(xué)理論的研究和突破是不可預(yù)期的，然而，在他看來，氣泡運(yùn)動是自然界最美的物理現(xiàn)象，十幾年來，成千上萬次的嘗試，數(shù)不清多少次看到希望又陷入絕望，但他一直沒有放棄。為了能專注于一件事，他幾乎推掉了與學(xué)術(shù)無關(guān)的所有事，專注氣泡統(tǒng)一理論探尋，夜以繼日地研究氣泡動力學(xué)方程。
工作任務(wù)急需的時候，他就在辦公室放了張簡易折疊床，一住就是半個月。他總是隨身帶著個筆記本，一有好的想法就立刻記下來，幾年下來，筆記超過15萬字。他的桌子上常常堆著半米多高的演算紙，用于研究氣泡動力學(xué)統(tǒng)一理論，隨時翻找。他有一個信念，能夠揭示自然界內(nèi)在奧秘的方程隱藏著巨大的能量，雖然影響氣泡動力學(xué)的因素不計(jì)其數(shù)，但氣泡統(tǒng)一方程一定是很簡潔的數(shù)學(xué)形式，這是揭示自然規(guī)律的高級表達(dá)。
2020年12月一次偶然的機(jī)會，張阿漫與李世民、崔璞、李帥、劉云龍等團(tuán)隊(duì)成員探討近邊界氣泡動力學(xué)問題時，突然有了一個新的原創(chuàng)想法和靈感，他整理思路，描述出自己的想法，從最基本的數(shù)學(xué)原理出發(fā)，構(gòu)造了波動方程的移動奇點(diǎn)基本解，計(jì)入氣泡可壓縮遷移效應(yīng)，經(jīng)過一系列嚴(yán)密的數(shù)學(xué)物理演算和實(shí)驗(yàn)求證，終于推導(dǎo)了能夠同時計(jì)入邊界效應(yīng)、多氣泡、環(huán)境流場、重力、遷移、可壓縮性、粘性力、表面張力等物理因素和條件的具有優(yōu)美數(shù)學(xué)形式的氣泡統(tǒng)一方程，從而創(chuàng)立了氣泡統(tǒng)一理論，解開了氣泡理論的奧秘，自然界真是魅力無窮、妙不可言，氣泡理論的表達(dá)竟然是如此優(yōu)美的數(shù)學(xué)方程。
氣泡統(tǒng)一方程可預(yù)測新的物理現(xiàn)象
氣泡統(tǒng)一方程以簡潔濃縮的數(shù)學(xué)語言，描述了自然界氣泡運(yùn)動的基本規(guī)律。該理論將不同源、不同尺度和不同環(huán)境下的氣泡力學(xué)行為統(tǒng)一在優(yōu)美的數(shù)學(xué)方程中，還統(tǒng)一了Rayleigh-Plesset、Gilmore和Keller-Miksis等經(jīng)典氣泡理論。通過氣泡統(tǒng)一方程，可在理論上更加精準(zhǔn)地預(yù)測氣泡動力學(xué)行為，不僅如此，它是可以作為指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的數(shù)學(xué)方程，預(yù)測新的物理現(xiàn)象。例如，可通過氣泡統(tǒng)一方程，預(yù)測多氣泡/氣泡群之間復(fù)雜波系的相互作用，預(yù)測到一些因現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)精度不夠高，尚未發(fā)現(xiàn)的新的物理現(xiàn)象。氣泡統(tǒng)一方程在服務(wù)國家海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略中，尤其在水下爆炸、深海勘探、跨介質(zhì)動力學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。
在探尋氣泡統(tǒng)一方程的過程中，張阿漫教授團(tuán)隊(duì)取得了具有重要國際影響力的原創(chuàng)科研成果，形成了在國際頂尖同行之中占有一席之地的氣泡動力學(xué)學(xué)科高峰方向，構(gòu)建了水下爆炸氣液固全耦合動力學(xué)理論模型與方法，開發(fā)了流固耦合FSLAB基礎(chǔ)工業(yè)軟件，創(chuàng)建了大型水下特種科研試驗(yàn)設(shè)施，研發(fā)了深海勘探新型低頻高壓氣槍陣列，形成了氣泡能量傳遞與防護(hù)新技術(shù)。研究成果在大型船舶、跨介質(zhì)動力學(xué)、深海勘探等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，獲得了有關(guān)部門的積極評價和高度認(rèn)可，形成了從基礎(chǔ)理論、算法、工業(yè)軟件、試驗(yàn)技術(shù)到服務(wù)國家戰(zhàn)略的原始創(chuàng)新體系，獲得了全國創(chuàng)新爭先獎、科學(xué)探索獎、國家技術(shù)發(fā)明二等獎、國家科技進(jìn)步二等獎、全球前2%頂尖科學(xué)家榜單、教育部自然科學(xué)一等獎等多個獎項(xiàng)。
在近二十年的科研生涯里，張阿漫用執(zhí)著與堅(jiān)守，詮釋了一個科技工作者的責(zé)任與情懷。總有人認(rèn)為張阿漫的科研工作繁重辛苦，他告訴記者：“其實(shí)我從來不覺得累，很幸運(yùn)生長在這個偉大的時代，有機(jī)會做有重要意義，并且感興趣的事情。我國強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，基礎(chǔ)研究是科技創(chuàng)新的總開關(guān)，我始終堅(jiān)信，科學(xué)有險阻，苦戰(zhàn)能過關(guān)，未來將立足本職崗位，進(jìn)一步著力培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，著力開展水下爆炸、氣泡動力學(xué)、流固耦合動力學(xué)領(lǐng)域的原創(chuàng)性基礎(chǔ)研究和瓶頸技術(shù)攻關(guān)，為實(shí)現(xiàn)“海洋強(qiáng)國夢”而努力奮斗。”
金聲 朱虹 哈爾濱日報(bào)記者 王越
