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轻舞飞扬——纤维与高速气流的亲密接触 精选

已有 7688 次阅读 2012-6-5 14:24 |系统分类:科普集锦|关键词:学者| 一等奖, 上海市, 浙江省

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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