2019 年在中国力学大会海洋土力学与工程分会 做邀请报告及主持
2010 年博士毕业留所工作已有十年,想 一想有没有什么研究体会和经验,值得分享 给所里的研究生、年轻的研究人员呢?
我觉得最重要的一点是对同事、同行、 学生要真心合作、交流、分享,研究过程注 重摆事实、讲道理, 敢于辩论;学会提出问题, 多斟酌所提的问题是不是国家重大需求,是 不是力学学科前沿;学会提出反映本质的问 题, 时常总结, 这样在探索规律时少走弯路, 容易得到明晰的答案。
我很注重量纲分析的运用,量纲分析可 以说是冯 ·卡门等应用力学学派的“看家” 本领。虽然量纲分析的基本定理只有一个 π 定理,但要灵活运用不容易,怎么才能用好 量纲分析呢?我的老师郑哲敏先生说过一句 话:“我无时无刻不在用量纲分析思考问题”。 对物理的认识越透彻,越能找出反映该问题本质的合宜的固有单位,去比较度量其它物 理量,形成正确的无量纲因果关系,也即科 学研究所追求的相似律。我在博士阶段有幸 多次运用量纲分析,比如发现了含相变热传 导的多界面移动的自相似规律,从 2016 年 起承担了《量纲分析》课程的教学工作,也 促进了在研究工作中的运用。
这里我分享一下 2019 年利用量纲分析 指导学生做研究的一个例子:垂直管道中含 相变的气液固多相流问题非常复杂,我的学 生对问题进行了量纲分析,为了简化大胆地 将得到的其中两个无量纲准数 - 雷诺数与阿 基米德数,直接组合成单个新的无量纲数, 据此分析的结果与实验对比效果还不错,而 且发现了对工程非常关键的多相输送的平衡 高度。然而,这种组合不符合逻辑推理,缺 乏物理机制,或许是熟能生巧,一个灵感想 到《量纲分析》课程的一道习题——求解小 球在水中自由下落的最终速度和粘性阻力的 问题,虽比我们的问题简单,但机制上有些 相似,即重力、浮力与粘性力存在一个平衡 条件, 做量纲分析时不能将三者独立, 因此, 学生的大胆组合有了理论依据,帮助我们对 物理机制的认识更加透彻。这样的过程也让 我们体验到了老前辈大胆猜测、小心求证的 认知乐趣。
我非常重视实验,对实验过程总是充满 好奇心。在相似分析的基础上进行实验设备 研制、实验设计与模型实验是非常重要的科学实践活动。很多力学新现象的发现来源于 实验,实验的设计往往遵循从一维、二维到 三维,从理想均匀到非均匀,从单效应到多 效应等从简入繁的过程,这样有益于深入认 识问题的物理实质。这里我分享一个自己做 实验研究的经历:我原想通过封闭体系一维 和平面实验测量水合物分解的含相变热传导 演化的数据,却发现随着含相变热传导范围 的扩展,水合物分解的高压气体突破上部土 层,形成了类似火山喷发的气液固三相流现 象,郑哲敏先生看到这个现象非常兴奋,后 经反复实验证实并非偶然, 涉及相变、传热、 渗流、地层破坏、气液固多相流的多效应与 多时间尺度的力学问题,同时认识到这类灾 害对水合物开发工程构成严重威胁。该研究 成果已应用于我国南海两次水合物试采工程 相关安全保障, 也可解释 2017 年《Science》 杂 志报道 的 巴伦 支海海底数 以万计 的 几 十~几百米深“天坑”现象的一些几何、力 学特征。这样的研究工作得到了基金委、产 业部门的长期持续支持。
我保持着与产业部门的沟通交流。熟 悉他们的语言并科普我们研究中所运用的语 言,掌握工程真正迫切的需求,明确涉及的 关键技术和科学问题,向工程师提出我们研 究需要的基础数据、工程条件等,有条件的 情况下,到工程现场了解工艺流程,获取一 些样品及基本力学参数;邀请工程师走进实 验室,让他们从头到尾观摩实验,甚至亲自 动手操作,希望他们结合工程实践的关键环 节对实验设备、流程、样品制备等提出适宜 的建议。我们的研究工作要在理论、方法上 有新的突破和自己的特色,也要考虑到给出工程实用的判据、软件、设备等,解决工程 师的燃眉之急。
我的研究工作有阶段性、层次性。博士 阶段在导师的指导下提问题、建模、找到相 似律,从而解决问题;工作之后的前五年, 独立提出了新的问题,申请到了国家自然科 学基金青年项目 - 水合物热分解引起地层分 层的实验室研究,也是毕业后第一项独立工 作,获得的理论模型与实验相符,预测结果 能为工程采纳, 令人兴奋, 信心增加;近五年, 探究问题之间的相似性,注重多尺度、多效 应过程的力学问题, 比如申请到了面上项目, 研究水合物分解引起的地层破坏及气液固多 相喷发问题,并推广至管道中多相流研究, 研究天然气水合物的新概念开采方法以及深 海资源开采相关的新装备、新技术等;将来, 也希望加强力学学科的基础研究,比如力学 与生命科学、环境科学等的结合,希望力学 为解决人类生命健康、保护地球家园环境做 一点点贡献。
我的水平有限,不足之处希望多多批评 指正。若有一点点体会、经验、建议能够与 读者产生共鸣, 更希望大家一起为力学学科、 力学所以及国家经济社会的发展贡献一些力 量。
张旭辉,副研究员,博士 生导师,国科大岗位教授,中 科院青年创新促进会会员。主 要学术方向:海洋土力学;含 相变渗流力学;含相变多相流 体力学。