十分感谢“协力”约稿,给了我这个与 大家交流、共同进步的机会。
我的研究主要在湍流,计算流体力学和 风能等领域。博士课题是发展模拟复杂边界 湍流的大涡模拟 / 浸入边界混合方法。2010 年, 在明尼苏达大学 Saint Anthony Falls Lab 做博士后期间开始风能相关研究,承担 的是一个工业界资助的科研项目,主要任务 是发展一套模拟风电场湍流的计算流体力学 (CFD)程序。这是一个 5 年的项目,当时 已进行 2 年,但由于某些原因,需要基于一 套清晰界面浸入边界方法程序从头发展相应 的风电场程序。因为没学过 C/C++ 语言, 也没用过程序所依赖的 Petsc 库,当时花了 1-2 个月时间逐行学习了这个程序。与此同 时, 详细学 习 了《Aerodynamics of Wind Turbines》书中的一些章节和一些风能大牛 的综述论文。由于风能对于我是个全新的领 域,同时发展程序是一个周期较长的工作,这导致了开始的第一年没有论文发表,但另 一方面,这也为顺利发展风电场程序,及后 来增加风机控制和气动弹性模块并结合另 一个版本的有限元程序打下了良好的程序基 础。这个程序后来被命名为 VFS-Wind,成 功应用于多个风电项目,被美国能源部报道 并发布, 被 J. N. Sorensen 等风能专家在 综述论文中大幅引用和评价。“工欲善其事, 必先利其器”,在开始一个新的研究领域时, 需要能够沉下心来,打好基础。
图 1:2.5 MW Clipper 风机的复杂翼尖涡结构。浅色:翼尖涡;深色:二次涡。
科学研究是一个提出问题、解决问题的 过程。解决问题的方法很关键,但提出一个 合适的问题更重要、也更有难度。有时要去 解决的问题是大家公认的,这时候就要找到 合适的方法解决它。以 2009 年我在 Journal of Computational Physics 上发表的论文为 例。这个研究的目的是降低浸入边界(IB) 方法模拟动边界问题时的非物理振荡(IB 方 法的一个普遍问题) 。当时尝试了许多不同 的方法,后来比较有效的做法是将网格进行 细分求和,再后来和北卡罗来纳州立大学的 李治林教授讨论时发现这个过程在数学上可 以表达成离散 Delta 函数的磨光,最终形成 了这篇论文。这个工作的主要体会是:选题 要有意义,解决一个实际的问题,不能是不 疼不痒的工作;要有将所研究问题进行数学 提炼的能力,而不是仅仅提供一个解决方 案。通常,在项目还没开始的时候,就提出 一个好的问题很难。大多时候是做着做着, 提炼出一个有科学内涵、合适的、可以解 决的问题。以我 2016 年 Journal of Fluid Mechanics 的论文为例。当时正进行的工作 是采用致动面方法模拟 2.5 MW Clipper 风 机的尾迹,从模拟结果中,我们观察到了有尾巴的翼尖涡和二次涡(图1) , 这 不 同于风洞实验中观察到的圆形截面翼尖涡。最初认为,这可 能 是 数 值的,由模型或网格导致的。后来,在洪家荣的雪花 PIV的风机尾迹图片中发现真实的 Clipper风机翼尖涡也有类似的复杂结构, 对模拟结果进一步分析发现,这些复杂结构 产生的可能原因是离心不稳定,最终形成了 这篇论文。这个工作的主要体会是:如果在 工作中发现了有异于常理的结果,一定不要 轻易放过,虽然做错了是大概率事件。
和家人在一起
随着年纪的增长,家庭和工作上有了更 多的责任,如何在工作和生活上做好平衡尤 为重要。回头看去,博士期间和博士后的前 1、2 年大概是我最最纯粹做科研的一段时 间,虽然产量不高、质量也没有出类拔萃。 在纽约州立大学石溪分校的 2016 和 2017 年, 大概是我过去的这几年较为紧张的两年,生 活上刚刚有了二宝,老大每周有 2、3 次的 课外活动需要接送,工作上,科研的同时在 系里讲授研究生和本科生的课程,并开始独 立申请科研经费。记得当时讲计算流体力 学课程, 所选教材是 Pletcher, Tannehill 和 Anderson 的《Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer》, 每周需学习约 50 页教材,准备 PPT,设计课后作 业和修改作业, 周末除了陪小孩就是在备课, 为了不影响科研进展,每周大概都会有 1 个 晚上几乎通宵。2018 年回国准备面试,时间 紧张,除了面试的前一天晚上,大部分的日 子都是晚上修改 PPT,白天给课题组老师、 同学试讲, 晚上再接着改。这除了因为时差— 晚上不困,估计也是那段时间练出来的。这 两件事有些极端,偶尔为之尚可,千万不能 长期如此。现在的工作,因为要指导学生的 科研,及其它生活工作上的事情,有效管理 时间达到生活 - 工作的平衡也尤为重要。科 研是繁重的体力劳动。管理好了时间之后, 能不能利用好时间取决于还具备的精力和体 力,所以一定要养成锻炼身体的习惯。我的 信条是,没有什么是 1万米不能解决的。另外, 不能很多事情一起做,拖很长时间,集中一 两件完成它的成就感带来的激励很重要。最 最重要的,平衡工作 - 生活,不只为了更好 地完成工作,更是为了更好地生活,所以, 不管多忙, 一定要有固定的时间去陪陪家人, 比如,每天陪小孩读几页书,和家人散步, 每周一起去看看电影、去公园逛逛,每年一 起出去旅游散心。在这里,衷心感谢我的家 人在这十几年来的不离不弃,是你们的包容 和理解,让我能“撒了欢的”去工作。
最后聊聊论文写作。这估计是我们大家 都很怵头的事情:如何把自己的工作讲给别 人,似乎是个和科研完全不同的工作。我不 是一个高产的科研人员,经常半天憋出一小 段,写作能力还有很大提升空间。尽管如此 吧,还是和大家分享一下我的体会。当然第 一条肯定是:要去写!每天规定一个时间, 去做和论文相关的事情,包括写一段综述, 一张图的分析和描述,准备一张图等等。对于多人合作的论文,因为每一稿可能要至少 经手三批人,即第一作者初稿、通讯作者修 改和其他人修改,一般要慢一些。但我的体 会是,如果多人合作时,接到稿件,一周内 修改完毕, 传给下一个人或开始下一轮修改, 把雪球滚起来,进度有时反而会比单一作者 的论文来得快。还有,在修改学生论文时发 现,大部分时候逻辑是更大的问题而不是语 言,所以,各位同学,一定切记你的论文是 去讲一个故事,不是这段研究的记录,也不 是事实的简单罗列。另外,科研写作不光是 发表,也是一个梳理科研思路的过程,说不 定写的时候,下一个想法就出来了,所以一 定多写。
我是 2010 年博士毕业去美国留学, 2019 年回到力学所工作,回到这个熟悉而温暖的 大集体。借这个机会,感谢所领导、何国威 院士,实验室领导和各位老师同学的关怀。 十年弹指一挥间,每当在四环路上看到力学 所主楼,看到熟悉的老师同学,伫立钱学森 先生、郭永怀先生塑像前,内心无不充满感 动。
不忘初心,重新出发,希望在力学所, 在祖国的大地上作出更好的成绩,不辜负大 家的期望。
杨晓雷,研究员,非线性 力学国家重点实验室。研究领 域:1) 复杂湍流的模拟方法, 机理与理论;2)复杂湍流的 低阶模型;3)复杂湍流系统的大涡模拟优化方法。