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轻舞飞扬——纤维与高速气流的亲密接触
精选
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博主按：昨天和今天到苏州参加了一个部级科学技术奖一等奖的答辩，这是我第一次参加报奖答辩。曾获过两次上海市和浙江省的科技进步奖，都是人家看中的我的文章和成果，邀请我参加，我只管贡献，整个报奖的繁杂过程都没有操心过。这次操了点心，至少是亲自参加了答辩。
说到报奖，怕孤魂来骂，赶紧申明一下。这次报奖，如果能如愿获得一等奖，是为了给我导师的导师90岁生日送上一份礼物。老先生是国内最早研究纺织气流问题的，1964年就出版了《纺织气流问题》一书，并就这个问题到美国、英国作报告和交流。导师90年代作为他的博士生，开始采用先进（至今仍然是先进）的仪器测试气流场，将纺织气流问题推进了一步。2000年我作为导师的博士生，正好伴随着计算机的发展，开展了数值模拟工作，这又是纺织气流问题一项新工作的开端。事实上，在我开始做这个研究的时候，NC State的一个研究组（也是我8年后去NC State访学的那个导师的研究组）几乎同时在进行这一问题的研究，他们获得一个NTC的项目，当时与我做同一课题的北航去的留学生，和我在不同的国度各自做出了自己的结果。他似乎没发表文章（或只有1篇），而我却在读博期间，一气发表了好几篇文章。后来，他们组的研究在这个博士生毕业后，没有持续下去。而我之后两个师弟和师妹，继续我的研究方法作更深入的工作，都取得了不菲的成绩。在我获得全国优博之后，师妹也由上海市突围参选今年全国优博。而师弟的成绩将在明年去接受考验。
写这个背景，是因为我认为我们的工作，在经历了十几年三代师生的努力之后，已渐成体系，也是有意义的，值得在这个时候进行一些总结。而报奖，主要是为了给老先生贺寿，对于我本人，我对这些东西，实在看得很淡。孤魂您看看，是不是可以破例不骂我？今天上午答辩，由导师汇报，我坐在他身边的答辩席上，这似乎是我们师生这么多年来第一次联袂出场。我是准备回答专家提出的比较深层次的问题，但导师不愧是全国教学名师，汇报和回答问题都很精彩，事实上，在我看来，专家们实在没有提出什么深层次的问题。于是，当导师汇报完毕，灯光亮起，我孤独地坐在答辩席上，脸上带着微笑，直接成了花瓶。
昨晚在阳澄湖畔宾馆房间的阳台上，我看到了一轮皓月当空，你看你看月亮的脸。今天与我们带队的处长说起，他严重批评我，答辩前夜还看月亮谈风月。我想，月亮倒是看了，风月是不敢谈的，科学家谈风月，品味太低。风月，从此不谈也罢。
于是，言归正传。无关风月，谈点科学。
轻舞飞扬——纤维与高速气流的亲密接触
曾泳春
高速气流由于其蕴含的速度和能量，在纺织工业中已经成为主流技术之一。而纤维与高速气流之间的作用，是所有这些技术共有的基本特征。
谈到纤维/高速气流两相流问题，首先遇到的是如何描述纤维。
柔性纤维模型
在气/固两相流中，纤维作为固相粒子，具有很特殊的特征。在形态上，纤维长径比很大，在用于纺纱的天然纤维中，最短的棉纤维的长径比都达到1000以上，这是其它气/固两相流中的固体粒子所不能比拟的。更重要的是，纤维具有柔性(flexibility),正是纤维的柔性，使纤维在运动中产生变形，成为纺织加工的基础。
关于纤维粒子模型，在纺织领域以外的研究中也很多见，研究者大多采用球体（包括椭球体）或圆柱体来建模。这种刚性模型，只能反映纤维的取向运动，无法表述纤维的柔性和运动中的变形，包括伸长、弯曲和扭转变形。
要在模型中表述纤维的柔性，研究者借鉴了聚合物动力学中的分子链模型，最简单的即是哑铃模型。从这时开始，纤维不再作为完整的刚性粒子，而是被离散成若干部分。关于纤维的柔性，我从2004年发表纤维在喷嘴高速气流场运动的文章开始，就一直在推进我的这个理念：纤维的柔性在计算中表现为，将纤维离散成若干部分，每一部分都能相对于其它部分产生变形。（Any segment of the fiber can stretch, bend and twist related to other segments of the fiber.）
基于这个理念，我们用珠——杆链模型（bead-rod model）来表述纤维，即将单根纤维离散成n个珠子，而珠子之间以无质量的弹性杆连接。这个模型即是哑铃模型的扩展，在模型中，我门引入了纤维的弹性模量、弯曲刚度、扭转刚度等纤维材料参数，这个模型能很好地体现纤维的特征。我用这个模型计算了纤维在喷气纺喷嘴中的二维运动，而师妹则将这个计算拓展到三维。三维比二维反映出的信息量大得多，可以说，我们俩跨度达8、9年的工作，将纤维在喷嘴高速气流场中的运动规律一步一步地揭示出来。
而师弟就是那个本科就跟我做课题的学生，原本是我的硕士生，因硕博连读而成了我的师弟。这个济南大男孩一直就没服过我，一定要做比我更好的工作。于是他以完全不同的思维，建立了基于有限元方法的纤维模型。我和他的这两种纤维模型，是两种思维方式，不分仲伯（尽管为了他顺利毕业，我曾谦虚了一下说他的模型好），但让我服气的是，师弟解决了纤维与高速气流间的耦合作用，这是一个非常难的突破，在国际上一直属于难题。
于是我们就开始涉入了纤维/高速气流两相流体动力学的河流。在下河之前，再插播一点关于我的模型。我的模型，当年也曾有高人认为是一维有限元的思想。但如果要完整地叙述这样的思想，还要关于计算力学的专业知识。所以我无力去专业地阐述我的思想。不知我的科研中，错过了多少我凭直觉产生的思想。事实上，我后来将我的模型提炼出另一个思想——将纤维离散成若干部分，在每个部分之间施加不同的联系，可以构成不同的过程。如在纤维成纱过程中，每一部分之间是弹性连接；而在聚合物成丝过程中，每一部分之间是粘弹性连接。后来，我将研究方向转向了聚合物微纳米纤维的研究，就是在这样的理念下研究的一个拓展和延续。这是后话。
纤维/高速气流两相流动
再完美的模型，也必须在流场中体现。我们的纤维模型，当然并不是最独树一帜的。因为有无数的研究者，前仆后继地在研究纤维在流场中的运动。理论研究者将纤维模型应用于虚拟流场，可以得出非常美妙的结果。而对于我们这些做工程的人来说，我们关注的是纺织加工中的实际气流场，以此来解决工程问题。因此，我们把纤维模型应用于纺织加工中的实际高速气流场中，这是做理论的研究者想不到的研究。
两相流普遍存在于自然界和工业中。在流体力学里，有两种描述流体运动的方法：欧拉和拉格朗日方法。欧拉法描述的是任何时刻流场中各种变量的分布，而拉格朗日法却是去追踪每个粒子从某一时刻起的运动轨迹。拉格朗日法是质点动力学在流体力学中的具体应用，它的思想是：如果能算出各个颗粒在流体中随时随地所受到的流体动力，则可以算出颗粒的运动。当然，颗粒的浓度不能太大。
现在，我们关注的是纤维在气流场中的变形规律，而这时，纤维已经被我们离散成了若干个以特定的关系连接的珠子，可以用颗粒动力学模型，即拉格朗日方法来计算。而对于流体相（高速气流场）的运动，依然采用欧拉法计算。以这样的方法研究纤维/高速气流两相流，我们称之为混合的欧拉——拉格朗日方法。
我和师妹所做的工作，是假设纤维对流场没有影响，只关注流场对纤维的作用，这是单耦合问题。可以事先独立地计算好流场，再计算纤维的运动。而不服输的师弟，硬是闯入计算软件Fluent中去改变程序，完成了纤维/高速气流双耦合的计算。我实在是很佩服。话说回来，我还是更喜欢我的纤维模型，不喜欢他的（我是感性中人，在科学研究中也不要跟我谈理性，喜欢就是喜欢，不喜欢就是不喜欢，爱咋咋）。
值得说明的是，我们对高速气流场的研究，不仅限于数值模拟，还采用了激光多普勒(LDV)、粒子图像测速（PIV)等实验流体力学方法进行验证。对于纤维的运动，我们也采用高速摄像技术捕捉纤维运动轨迹，验证我们的计算结果。想当年我到交大去旁听实验流体力学课程时，我对那个从日本回来的老师说了我的想法：我要计算纤维在气流场中的运动，还要测量纤维在气流场中的运动。老师惊呼一声说：你做的是一个团队的工作，那是你一个博士课题盛不下的。后来我才知道，纤维运动的实验测量，已经可以独立成为n个博士课题了，而且，至今还没有人解决。
而无论如何，我们的工作，最终展示了纤维在高速气流场中的运动，时而轻舞飞扬，时而妖娆纠结，一如我们的人生，总在清风入怀与纠结中彷徨。但如果我们有心，一定会修炼到清风入怀的境界。
还是配上这首歌吧，齐秦，《狂流》。速度场、时间场，都是狂流。
暗流涌动间，我自轻舞飞扬
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