“翻云覆雨”的專業(yè)

陳志鵬

我現(xiàn)在在牛津大學攻讀空氣動力學博士，今年是最后一年，處在研究的收尾階段。通常，當親戚朋友們問我到底是“干什么的”的時候，我會把自己定義為一個“工業(yè)推動者”，即解決機器的動力問題，從而在廣義上推動工業(yè)的發(fā)展。具象來說，我的研究方向為應用在飛行器的發(fā)動機，所以我也會把自己定義為一個“航天航空人”。

空氣動力學，與我們平常認知的“運動學”沒有關(guān)系，因為運動學是在沒有力的情況下的運動，而動力學，則是在有力的情況下發(fā)生的運動。這個專業(yè)主要應用于航天器的設(shè)計，比如現(xiàn)在的民航飛機、軍隊戰(zhàn)斗機的發(fā)動機的葉片設(shè)計等，都是空氣動力學的應用范疇。目前，中國1/5的電力都靠燃氣機發(fā)電，一些大型的軍艦也需要配備燃氣輪機，而這些燃氣機的發(fā)電設(shè)計就是由我們來設(shè)計完成的。除了燃氣發(fā)電機，我們也可以應用這門學科設(shè)計風力發(fā)電機，比如風車。對，就是那種效率比較低的風力發(fā)電機。它綠色環(huán)保，在發(fā)電機的不斷進化和改善下，風車也可以不斷發(fā)揮其最大效用。同時，一些大型的發(fā)電廠也會應用這個原理來設(shè)計和運作：發(fā)電機可以為一些靠風力發(fā)電、太陽光發(fā)電的發(fā)動機提供能量備份。因為電網(wǎng)是有起伏的，這種起伏對電力的供應有很大的沖擊。像風力、日照類的能量具有不穩(wěn)定性，比如，白天的時候有太陽，可是晚上就沒有了;風力也是一樣，有風的時候有電，沒風的時候，風機的發(fā)電量就會很小。這種輸電量的起伏會對電廠產(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，可以把燃氣機作為一個電力的備份。當輸出的電量小時，燃氣機會持續(xù)補充電力，使電網(wǎng)始終保持一個平穩(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算的。流體，即流動的物體，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，可以利用機器模擬血液的運動，預測心臟哪里有梗塞——這就是流體計算的結(jié)果。流體計算最直觀的體現(xiàn)就是天氣預報，它的觀測原理就是在各個地點把觀測數(shù)據(jù)上報，通過計算風、雨、氣壓等的變化和運動，就可以預測天氣了。天氣預報之所以難以精確，難度在于計算的時間很長。每一次觀測的數(shù)據(jù)可能有成百上千個GB，而氣象學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，目前的人力對邊界的檢測是很有限的，從幾個有限的氣象站中獲得的數(shù)據(jù)，從整體上看，不過是一個城市的幾個點而已。但流體計算是整個三維空間里所有區(qū)域的整體計算，任何一點數(shù)據(jù)的缺失都會影響最終計算結(jié)果。所以，天氣變化的走向非常不確定，因為其本身物理模型建立的信息輸入就是不完整的，即便我們實現(xiàn)了完整的信息輸入，這個模型在計算的過程中也會產(chǎn)生誤差。比如我們要預測一個城市的天氣，該城市面積很大，每一寸面積的上空都有流體的運動，加上水變成雨雪冰的過程，綜合起來就是一個無比復雜的大型計算，以目前的技術(shù)來講，太難實現(xiàn)精確預測。如果這一項技術(shù)在未來可以達到精確，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，就可以真正實現(xiàn)“翻手為云，覆手為雨”了。

結(jié)合我的專業(yè)，流體計算就是通過推演，提高發(fā)動機的效率，讓它轉(zhuǎn)得更快更好。以普通民航的發(fā)動機葉片為例，當葉片轉(zhuǎn)起來時，發(fā)動機會升溫至3000℃，壓力是大氣的5至幾十倍。這時的發(fā)動機葉片就相當于一根普通的蠟燭，在一個巨大的油鍋里以每秒300米的速度轉(zhuǎn)動，同時還要承受和太陽表面一樣的溫度和壓強，而我們的研究和工作，就是保證這根?“蠟燭”轉(zhuǎn)幾千個小時都不會融化。當我們做的發(fā)動機應用到民航客機上時，航空公司會進行整機實驗來測試發(fā)動機的性能，那景象可以說是“壯觀”！把真的航空發(fā)動機駕到高臺上去運行，周邊的環(huán)境會極其惡劣，我們在觀察室中都會被極高速的運轉(zhuǎn)所震撼。這個“實驗”雖然聽上去非常“無厘頭”，但這就是赤裸裸的研究難度。當然，我們在實驗室里的實驗則要溫和幾百倍不止，我們會通過計算把它推演到實際情況中去。但即便這樣，所有實驗室及觀察室的玻璃也都是防彈級別的。因為即便溫和了幾百倍的發(fā)動機轉(zhuǎn)起來，一旦某個葉片由于轉(zhuǎn)速太快飛出去，都會造成非常嚴重的殺傷力。由此可見這個實驗的難度與危險。

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

現(xiàn)在在研究的電動飛機、飛行出租車等，都是流體計算應用在新領(lǐng)域的成果——研究者不再局限于燃氣發(fā)動機，還可以開發(fā)和研究新的動力系統(tǒng)。

目前在這方面做得最完善先進的是歐洲一家叫作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際推行與應用還有很大的阻力，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。

責任編輯：陳思