“翻云覆雨”的專業(yè)

陳志鵬

我現(xiàn)在在牛津大學(xué)攻讀空氣動(dòng)力學(xué)博士，今年是最后一年，處在研究的收尾階段。通常，當(dāng)親戚朋友們問我到底是“干什么的”的時(shí)候，我會(huì)把自己定義為一個(gè)“工業(yè)推動(dòng)者”，即解決機(jī)器的動(dòng)力問題，從而在廣義上推動(dòng)工業(yè)的發(fā)展。具象來說，我的研究方向?yàn)閼?yīng)用在飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)，所以我也會(huì)把自己定義為一個(gè)“航天航空人”。

空氣動(dòng)力學(xué)，與我們平常認(rèn)知的“運(yùn)動(dòng)學(xué)”沒有關(guān)系，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)學(xué)是在沒有力的情況下的運(yùn)動(dòng)，而動(dòng)力學(xué)，則是在有力的情況下發(fā)生的運(yùn)動(dòng)。這個(gè)專業(yè)主要應(yīng)用于航天器的設(shè)計(jì)，比如現(xiàn)在的民航飛機(jī)、軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片設(shè)計(jì)等，都是空氣動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用范疇。目前，中國1/5的電力都靠燃?xì)鈾C(jī)發(fā)電，一些大型的軍艦也需要配備燃?xì)廨啓C(jī)，而這些燃?xì)鈾C(jī)的發(fā)電設(shè)計(jì)就是由我們來設(shè)計(jì)完成的。除了燃?xì)獍l(fā)電機(jī)，我們也可以應(yīng)用這門學(xué)科設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，比如風(fēng)車。對(duì)，就是那種效率比較低的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。它綠色環(huán)保，在發(fā)電機(jī)的不斷進(jìn)化和改善下，風(fēng)車也可以不斷發(fā)揮其最大效用。同時(shí)，一些大型的發(fā)電廠也會(huì)應(yīng)用這個(gè)原理來設(shè)計(jì)和運(yùn)作：發(fā)電機(jī)可以為一些靠風(fēng)力發(fā)電、太陽光發(fā)電的發(fā)動(dòng)機(jī)提供能量備份。因?yàn)殡娋W(wǎng)是有起伏的，這種起伏對(duì)電力的供應(yīng)有很大的沖擊。像風(fēng)力、日照類的能量具有不穩(wěn)定性，比如，白天的時(shí)候有太陽，可是晚上就沒有了;風(fēng)力也是一樣，有風(fēng)的時(shí)候有電，沒風(fēng)的時(shí)候，風(fēng)機(jī)的發(fā)電量就會(huì)很小。這種輸電量的起伏會(huì)對(duì)電廠產(chǎn)生很大的影響。為了保證不出現(xiàn)這種電網(wǎng)的大起大落，可以把燃?xì)鈾C(jī)作為一個(gè)電力的備份。當(dāng)輸出的電量小時(shí)，燃?xì)鈾C(jī)會(huì)持續(xù)補(bǔ)充電力，使電網(wǎng)始終保持一個(gè)平穩(wěn)的電峰，維持電網(wǎng)的健康。

具體而言，我的研究方向是做流體計(jì)算的。流體，即流動(dòng)的物體，我們熟知的氣體、液體等都是流體。比如現(xiàn)在醫(yī)生做外科手術(shù)時(shí)，可以利用機(jī)器模擬血液的運(yùn)動(dòng)，預(yù)測(cè)心臟哪里有梗塞——這就是流體計(jì)算的結(jié)果。流體計(jì)算最直觀的體現(xiàn)就是天氣預(yù)報(bào)，它的觀測(cè)原理就是在各個(gè)地點(diǎn)把觀測(cè)數(shù)據(jù)上報(bào)，通過計(jì)算風(fēng)、雨、氣壓等的變化和運(yùn)動(dòng)，就可以預(yù)測(cè)天氣了。天氣預(yù)報(bào)之所以難以精確，難度在于計(jì)算的時(shí)間很長。每一次觀測(cè)的數(shù)據(jù)可能有成百上千個(gè)GB，而氣象學(xué)家需要在如此海量的數(shù)據(jù)中解讀出有用的信息，可謂難上加難。從邊界條件上來說，目前的人力對(duì)邊界的檢測(cè)是很有限的，從幾個(gè)有限的氣象站中獲得的數(shù)據(jù)，從整體上看，不過是一個(gè)城市的幾個(gè)點(diǎn)而已。但流體計(jì)算是整個(gè)三維空間里所有區(qū)域的整體計(jì)算，任何一點(diǎn)數(shù)據(jù)的缺失都會(huì)影響最終計(jì)算結(jié)果。所以，天氣變化的走向非常不確定，因?yàn)槠浔旧砦锢砟Ｐ徒⒌男畔⑤斎刖褪遣煌暾模幢阄覀儗?shí)現(xiàn)了完整的信息輸入，這個(gè)模型在計(jì)算的過程中也會(huì)產(chǎn)生誤差。比如我們要預(yù)測(cè)一個(gè)城市的天氣，該城市面積很大，每一寸面積的上空都有流體的運(yùn)動(dòng)，加上水變成雨雪冰的過程，綜合起來就是一個(gè)無比復(fù)雜的大型計(jì)算，以目前的技術(shù)來講，太難實(shí)現(xiàn)精確預(yù)測(cè)。如果這一項(xiàng)技術(shù)在未來可以達(dá)到精確，人類就可以非常輕易地控制天氣，只要把想要的流體放在想放的位置，并改變一些條件，就可以真正實(shí)現(xiàn)“翻手為云，覆手為雨”了。

結(jié)合我的專業(yè)，流體計(jì)算就是通過推演，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，讓它轉(zhuǎn)得更快更好。以普通民航的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片為例，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)起來時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)升溫至3000℃，壓力是大氣的5至幾十倍。這時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片就相當(dāng)于一根普通的蠟燭，在一個(gè)巨大的油鍋里以每秒300米的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)還要承受和太陽表面一樣的溫度和壓強(qiáng)，而我們的研究和工作，就是保證這根?“蠟燭”轉(zhuǎn)幾千個(gè)小時(shí)都不會(huì)融化。當(dāng)我們做的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用到民航客機(jī)上時(shí)，航空公司會(huì)進(jìn)行整機(jī)實(shí)驗(yàn)來測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，那景象可以說是“壯觀”！把真的航空發(fā)動(dòng)機(jī)駕到高臺(tái)上去運(yùn)行，周邊的環(huán)境會(huì)極其惡劣，我們?cè)谟^察室中都會(huì)被極高速的運(yùn)轉(zhuǎn)所震撼。這個(gè)“實(shí)驗(yàn)”雖然聽上去非常“無厘頭”，但這就是赤裸裸的研究難度。當(dāng)然，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里的實(shí)驗(yàn)則要溫和幾百倍不止，我們會(huì)通過計(jì)算把它推演到實(shí)際情況中去。但即便這樣，所有實(shí)驗(yàn)室及觀察室的玻璃也都是防彈級(jí)別的。因?yàn)榧幢銣睾土藥装俦兜陌l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)起來，一旦某個(gè)葉片由于轉(zhuǎn)速太快飛出去，都會(huì)造成非常嚴(yán)重的殺傷力。由此可見這個(gè)實(shí)驗(yàn)的難度與危險(xiǎn)。

目前，流體計(jì)算的最新技術(shù)是“近似模型”。這個(gè)模型以現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)水平是可以被算出來的，它的成果可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度和精度。在我的畢業(yè)論文中，我開發(fā)出了一種新的計(jì)算方法，可以使近似模型計(jì)算出來的數(shù)據(jù)更快更準(zhǔn)確地被解讀，從而最終提升發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和效率。近似模型的出現(xiàn)使得航天器的動(dòng)力系統(tǒng)提升了一大步。如今，在發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片上出現(xiàn)了一些新的設(shè)計(jì)，這些idea最早只使用在軍用航天器的發(fā)動(dòng)機(jī)上。現(xiàn)在的民用大型航天器也都應(yīng)用了這些設(shè)計(jì)，提升了發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的氣動(dòng)性能和傳熱性能，進(jìn)而讓飛機(jī)飛得更快更穩(wěn)，二氧化碳的排放更少，噪音更低，同時(shí)消耗更少的能源，發(fā)動(dòng)機(jī)壽命更長。

現(xiàn)在在研究的電動(dòng)飛機(jī)、飛行出租車等，都是流體計(jì)算應(yīng)用在新領(lǐng)域的成果——研究者不再局限于燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，還可以開發(fā)和研究新的動(dòng)力系統(tǒng)。

目前在這方面做得最完善先進(jìn)的是歐洲一家叫作Lilium的公司，它們已經(jīng)制造出了小型的飛行器，可供單人使用，它可以實(shí)現(xiàn)日常交通從平面變成真正意義上的立體，大大緩解了地面交通堵塞的問題，也可以節(jié)約能源。但是飛行出租車的實(shí)際推行與應(yīng)用還有很大的阻力，除了一些法律法規(guī)上的限制，還有安全及噪音上的考量。不過，相信不久的將來，這些限制條件會(huì)得到很好地解決。隨著這些高科技產(chǎn)品的面世，人類很快便可以享受到這些科技成果帶來的便利。

責(zé)任編輯：陳思