北航故事
【动力情怀】沙丘驻涡火焰稳定器的发明过程
发布时间:2014-11-14        文/图/

  1984年,北航高歌教授发明了“沙丘驻涡火焰稳定器”,获国家发明一等奖,钱学森同志称之为“一项长中国人志气的重要发明”。
喷气发动机是1939年试制成功的。为了增加发动机的推力,就在喷气发动机的后面加了一个燃烧室。但高空风速很高,后燃烧室内火焰不稳定,极易熄灭。1942年德国人与苏联人搞成了一种V形火焰稳定器。尽管它对火焰有一定的稳定作用,但却阻力大、稳定性差,还容易产生发动机旋涡脱落。以后的改进只是着眼于v形槽的开口角度,开口的多少,前后位置等,都没有决定性的突破。
  北京航空航天大学博士研究生、年仅33岁的高歌,在他的导师宁?教授的指导帮助下,发明了沙丘驻涡火焰稳定器。解决了喷气发动机问世40多年来燃烧火焰不稳定这个技术关键问题。从理论和实践上填补了国际航空界长期未能解决的空白。在国际上居领先地位。被评价为这是一个很大的技术突破,是一个很有价值的、重大的发明,因此获得了1984年“国家一等发明奖”。
  这项发明的过程,高歌本人曾有过生动,具体的描述。发明沙丘驻涡火焰稳定器的过程,首先是受到沙丘的启示。在沙漠中,有一种新月型沙丘,它有一个特点:不管风怎样吹,沙丘都不变形,仍然保持新月形状。而其他形状的沙丘都可以叫风吹跑。他看到这种现象之后,就觉得很有意思。当时就想,它之所以这样稳定,一定是气流后面的流场绕过沙丘后形成的旋涡特别的稳定。因为自然界的现象必然是最合理的,它们都遵循物理学上的最小功原理,天然合理。如果把它的原理搞清楚了,就可以利用它了。
  在六十年代,有人在美国大学的校园中发现,风吹过雪地之后,也能形成一种特别稳定的雪堆,其形状和新月型沙丘一样。美国一个搞流体力学的教授对这个问题发牛了兴趣。他设计了一种方案,经模拟证实能提高效率10%,但由于这位教授没有抓住三维这一本质特点,因而收益不大。后来,沙丘这种现象引起美国宇航局的重视,1977年他们委派美国一个非常著名的沙漠地质学家,帮助研究为什么这种沙丘会如此稳定,以便运用到航空或航天技术上。这个地质学家黾量了几十个沙丘的形状,写了一本很厚的报告,指出这种沙丘就是稳定的,其稳定的原因,是与沙粒的粗细、比重、成分等有关。美国宇航局看了这篇报告后无可奈何,认为这种报告没什么用途。显然,这位地质学家也没有抓住问题的本质。
  高歌来到北航当研究生后,和宁?教授谈论这种现象。宁?教授说,一定要从旋涡的特性上来研究这个东西。搞流体力学的人,一怕粘、二怕旋。所以大家在研究时,都避免研究这个东西,偏爱研究无粘流,这样就把最困难的题目避开了。
  要解决这项难题,首先要过计算关。沙丘是一个三维体,所以就要想法计算出三维物体后面的流场。当时,国际上有关计算三维问题的文章是很少的,而二维问题则早在十几年前就计算出来了。三维问题之所以计算不出来,是因为计算方法非常费时间。对于一个二维问题,如果把所要计算的整个流场均分为五千个网点来计算,当时在百万次的计算机上只需一、两个小时就能算出。对于一个三维问题,也将流场分为五千个点来计算,根据当时美国马里兰州的一位教授来中国讲学时说的,在一个百万次的计算机上,需要汁算五千个小时。这实际上是没法计算的,因为一台计算机不可能为你二个人连续不断开八个月。所以对三维问题,只能算七、八百点,太多了计算机也难以算出。要对沙丘进行分析,就必须把它的三维流场摸清楚。不计算,也可以用实验方法,但既费时间又费资金,最好还是计算出来,高歌在宁?教授的指导下,开始探索一种新的计算方法。
  算粘流要解椭园形偏微分方程。他当时看了几十种计算方法,把每种方法的优点都挑出来,缺点也列出来,反复琢磨,搞了两个多月,对其中的三、四种方法特别喜欢。这种喜欢是一种感觉上的喜欢,为什么喜欢也说不出来,总之从感情上觉得倾向于这几种方法。然后他就对这三、四种方法反复琢磨、反复想,总想把它们的优点都捏在一起,搞出一种新方法来。在那段时间里,他白天黑夜都在思考这个问题,可总是合不起来。天天想、白天想、晚上想吃饭也想、晚上作梦也想。有一天晚上,快熄灯了,他去刷牙,刷着刷着,突然好象脑子里一闪念。……一个概念……他把牙缸牙刷扔在水池里,赶快跑进屋把它们记下来,没几分钟,就把三、四种方法的优点合在一起了。想了两个多月,把它合在一起只用了几分钟!过了几天,编成程序就算,然后做了一些改进,这方法就通了。大概前后用了四、五个月,搞出一种三维计算方法,按照这种方法,他把沙丘空间流场分成三千个点,在一台十九万次的计算机上用两个小时就把它的流场结构算出来了。这个速度与当时国际水平相比快了上千倍。
  算出流场之后,对沙丘后面这个流场进行分析便知道了它的基本特点。沙丘后面的旋涡如此稳定的原因有两个,实际上已经是自然界或人类社会早就利用的了。一个是龙卷风的原理,还有一个就是沙丘后面这个旋涡形成了一个拱桥结构,前面宽,后面窄,一个个的旋涡挤在一起,就特别坚固,想脱落也脱落不下去。拱形桥之所以很结实,其原因人们早就知道了,但是没有人想到用拱桥原理来说明稳定问题。旋涡稳定问题解决之后,他们就做实验,结果发现,这种沙丘型稳定器的阻力非常之小,只有原来V型槽阻力的四分之一到五分之一,减了百分之七、八十的阻力。所以发动机的推力损失一下子就减少了很多。
  计算这一关是过了,但计算是一种近似模拟方法,只能得出一个近似解来,从理论上并没有完满地解释出它为什么稳定,所以还必须进行理论上的分析。这方面的资料,国际上的参考文献非常少,大家都不大愿意搞。从1870年到1960年近一百年,推导稳定性的理论方法没有多大差别。他对这些方法进行了仔细分析后,觉得过去的方法在基本的物理假设和概念上,在出发点上都过于简化了。把粘性、旋涡的旋转特性甩了出去。起码应该把离心力和哥氏力这两个在旋转流场中存在的力加进去。他将这两项加在方程中,重新推导了一遍,搞出来一个比别人的多几项的稍微复杂一些的结果,好象也没有什么突出的地方。他反复想,为什么将主要因素都包括进去之后,所得到的结果还同别人的差不多呢?思考了好长时间,后来有一天晚上,睡着了,他做梦,梦见有人对他说,你推的这个稳定性界限虽然比别人的复杂,但也只有一个界限,实际上什么事情都有两个极端,就好象你吃多了要撑死,吃少了要饿死,你怎么能只有一个稳定准则呢?他一下子就惊醒了,赶忙在墙上用手抠了两条道,那意思就说应该有两个准则。紧接着他又呼呼也睡着了。第二天早晨他起来想,昨天晚上干什么来着?看看墙上划了个=,他想起来了!有两个准则。事物有一个上限,也有一个下限,不可能只有一个界限,任何事物都有两个极端,这是一个哲学上的普遍规律。他整整推导了一天,最后发现如果应用广义的热力学第二定律,就可以找到另外一个准则,就是一个上限。过去所有的旋涡准则都是下限,原来他推导出来的也只是下限,经这样努力了一整天,又推导出了一个上限。然后就反复检验,天天都进行推导,草稿纸也不知摞了多厚。过了半个月之后,他发现那天推导出来的新准则全错了。又经过半个多月的反复推敲,终于把一个正确的准则找出来了。
  结果发现旋涡的稳定确实有一个上限,有一个下限,旋涡转得太慢了,不稳定,转得太快了,也不稳定。经过计算——实验的反复过程后,对它的流体力学特性很清楚了。后来进行火焰实验,发现这种火焰稳定器非常稳定,比过去的V型槽稳定器扩大稳定性六到八倍。过去搞了几十年,能扩大10%、20%的稳定性就不错了,但新的稳定器一开始做实验得到的稳定曲线比V型槽的扩多六倍多。他自己都不敢相信这种实验结果。在第一次给学校搞这个专业的老师们报告时,到场的大概有十几个人,其中只有一两个人相信是真的,大部分人都不相信,认为不太可能,后来请大家去看实验,看了实验后大家才相信了。
  这样,经过从1981年开始做实验,1982年做高空模拟实验,1982年到1983年初做发动机的整机实验,1984年进行高空试飞最后定型开始实际应用,经过四年多时问,终于完成了这项钱学森同志称之为“一项长中国人志气的重要发明”。