作者:李家春 来源:北京青年报 发布时间:2011-11-1 16:59:37
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李家春院士谈“流动”:为何“轻舟已过万重山”
 
■主讲人:李家春,中国科学院力学研究所研究员,博士生导师,中国科学院院士。
 
■为什么“轻舟已过万重山”?
 
这是一种流动现象
 
中国古代诗词往往反映了诗人的一种意境,然而,在很多诗歌中还蕴含着科学原理。下面我就给大家举两个例子。
 
“朝辞白帝彩云间,千里江陵一日还。两岸猿声啼不住,轻舟已过万重山。”唐代著名诗人李白所作的七言绝句《早发白帝城》,抒发了诗人遇赦后愉快的心情,描述了沿途江山的壮丽多姿和顺水行舟。其实,“轻舟已过万重山”体现了一种流动现象。为什么三峡建成前后,船的航速不一样?没建三峡之前可以轻快如飞。三峡工程建成以后,“高峡出平湖”,流速就大大减缓了。实际上,这是由于河道的比降不同,也就是说水面的坡度不同所致。河水流动的动力,来自于重力沿着底坡的分量,比降大,该分量也大,所以流速也就增加了。
 
另外一首诗,也是大家所熟知的,是唐代诗人张继的《枫桥夜泊》。当时正值安史之乱,作者的心情可以说和诗仙李白完全不同。“月落乌啼霜满天,江枫渔火对愁眠。”这两句显示出作者的忧郁心情,月落时分,伴着乌鸦的啼叫声,满天枫霜,渔火点点,诗人惆怅难眠。“姑苏城外寒山寺,夜半钟声到客船。”指的是苏州城外的寒山古寺,半夜敲响的钟声传到了诗人的船头。为什么晚上寒山寺的钟声能传过来?这里面反映了一个科学原理,那就是声波在大气当中的折射现象。到了晚上,大气的密度处于稳定层结,上轻下重,这样声音就会全反射回来,而白天的分层情况不同,所以可能听不到钟声。
 
■为什么航天飞机要退役?
 
因为防热系统没有设计好
 
其实,流动现象在我们日常生活中比比皆是。流体力学看似离我们很远,实际上离我们很近,就在我们的身边。接下来再举几个今年的热门话题中反映流动现象的例子。
 
首先是日本3·11地震海啸灾害,伤亡惨重,并导致了福岛第一核电站的核泄漏。海啸灾害的发生需要几个条件,其中包括6.5级以上的海底地震、震源深度小于五十公里、海底板块垂向运动等。传播到浅海海湾和海滩地区,因水的积聚和涌升而致灾,在夹带杂物以后冲击力更强。利用地震波与海啸传播的速度差,可以预警防灾。为什么日本这次没有做好呢?原因有两个,一个是震源很近,离海岸线仅133公里,时间差很短;第二在于日本没有预见到九级地震会造成如此大海啸,防波堤设计标准低。如果核电站建在西海岸就要好得多。
 
2011年气象灾害非常严重,时旱时涝,比如江西省鄱阳湖的干涸和德兴的洪水。澳大利亚近百年一遇的“雅斯”飓风,最大风速达到290公里每小时,威力超过了美国的卡特里娜飓风,致使昆士兰州17万居民受灾。同样的,7月份的韩国首尔发生了百年一遇的暴雨,降水累计600毫米,还引发了泥石流。近年来北京城区内洪水也很严重。气候为什么异常?如果整个地球都是均匀的,那么大气环流将是非常规则的一种大气运动,也就不需要天气预报了。但实际情况是,由于海陆分布、地形高低、植被覆盖、土壤干湿等因素,还有诸如地球自身的公转和自转、日地关系、太阳活动、火山爆发等自然原因,大气环流是非常不规则的。近百年来,还有温室气体排放等人类活动的干扰,导致全球变暖,大气活动增强,表现为平均值缓慢上升,在平均值上下幅度的变化也增大。
 
还有,美国航天飞机为什么退役?美国的航天飞机共有5架,分别是哥伦比亚号、挑战者号、发现号、亚特兰蒂斯号和奋进号,三十年当中飞行了130多次。航天飞机的好处是运送量大,把人和物资运到空间站去,所以人能够长期地在空间站进行科学活动;可以多次往返,似乎可以节省费用;还有一个好处就是回地落点比较准确。航天飞机退役最重要的原因是,防热系统没有设计好,维修费用很高,失事率高。两次失事,一次是挑战者号,一次是哥伦比亚号,牺牲了14个人,这样也就不经济、不安全了。所以在2011年的2月、5月、7月,发现号、奋进号和亚特兰蒂斯号最终退役。两架失事,三架放到博物馆。
 
■什么是流体力学?
 
以上举的例子,都是我们身边的流动现象。那么,什么叫做流体力学?
 
流体力学是研究流体介质的对流、扩散,以及相伴的物理、化学、生物过程,导致质量、动量、能量输送的现象。
 
物质有四态,包括固体以及流体的三态——液态、气态和等离子体。随着温度升高、压力降低,可以从固态到液态,再从液态到气态,气态再到等离子体。等离子体是宏观中性的电离气体,美丽的极光就是等离子体。
 
流体跟固体的区别很清楚,但又不是绝对的,有种现象叫做流变行为,这是一种亦流亦固的现象。举个例子,如果在一个静止容器中有一种黏弹性流体,当它发生旋转时,就会沿着中间的旋转棒往上爬升。如果是纯流体的话,不可能发生爬竿效应,这种黏弹性流体之所以能够爬上来,是因为它具有的固体能够保持一定的形状缘故。流变现象有时还与时间尺度有关。比如冰川,短时间不会变形,但在十年、百年、千年的时间尺度上,冰川肯定是在流动的。
 
流体当中的最重要的现象就是对流。对流分两种情况:强迫对流和自然对流。强迫对流是靠外力来直接驱动的,例如:水泵、风机、河水、风生环流;自然对流没有外驱动力,是因密度差间接由重力而引起的流动,譬如烧水时,轻的流体在下面,重的流体在上面,就会发生上下翻滚的对流运动。在海洋当中,由于盐度和温度的不同,也会造成对流,我们把它叫做热盐环流。
 
流体的第二种现象是扩散,指两个相邻的、温度不一样或浓度不一样的流体团间的能量、质量、动量交换。一般情况下有两种流动状态:一种是非常有规则的层流,它的流线非常明显,不同层间的能量、物质、动量等都可以交换,主要靠我们看不见的分子无规运动。热量的传输会从高温到低温,浓度高的会向浓度低的物质传输,分子扩散相对比较慢一点。第二种是湍流扩散。坐过飞机的朋友都知道,经常有颠簸,是因为外面有湍流运动。它是流体团无规运动,而不只是分子的无规运动。一个分子、一个分子地交换比较慢,而携带带着能量、质量、动量的流体团间的交换要快得多,所以,湍流扩散可以是分子扩散的几百倍、上千倍。湍流交换有利有弊,一方面加快了燃料混合和污染物的扩散,另一方面,又增加了阻力。所以我们要充分利用这些特点来为人类服务。
 
流动当中还有两种现象,一个叫做涡,一个叫做波。热带气旋就是漩涡,今年美国的龙卷风很厉害,造成的人员伤亡严重;至于波动现象,是扰动在介质中的传播,如:海洋当中的风浪,是人们看不见的内波。在超声速流动中会有激波现象出现。
 
■流体力学的四个阶段
 
流体力学历史悠久,它发展的过程可以分成四个阶段:基于实践经验的古代流体力学,基于严密数学理论的经典流体力学,基于物理洞察力的近代流体力学,以及基于现代高新技术的现代流体力学。在牛顿力学以前都叫做古代力学。
 
中国古代的流体力学有很多好成就和贡献,最重要的一个贡献,就是2000多年前的都江堰水利工程。鱼嘴分水堤严格控制内外江的水沙量,飞沙堰溢洪道控制洪水量,宝瓶口起着一个水库的作用,这些都是流体力学原理。西方的古代力学,最早的有阿基米德的浮力原理和提水机,达·芬奇的扑翼机和降落伞,以及哈根·泊肖叶的管流实验。这些也都是流体力学,而且西方关于定量化的研究做得好,并上升为规律和理论。
 
经典力学则以牛顿力学体系的建立为代表,主要推广到连续介质——就是像水、空气这样的介质。经典力学可以得到很多理论公式,但是也面临困难,比如说解决不了飞机的问题。
 
近代力学靠的是物理思想。1904年,普朗特(L.Prandtl)在海德堡数学会上提出了边界层理论,解决了阻力和飞机设计问题。如果没有这个理论,到现在为止,我们不可能坐飞机在十几个小时到达纽约。
 
这里我要提一位大家都熟知的人物——钱学森先生,当时他遇到了最重要的困难就是突破声障。上世纪30年代,人们研究飞机如何从亚声速变成超声速,从风洞实验中发现了Lamda激波,这是导致飞机失速、机毁人亡的祸根。需要回答的问题包括:什么时候出现激波、激波如何影响飞机的气动性能、有什么措施来预防失速,改善气动性能等。当时钱学森、郭永怀在冯·卡门的指导下,回答了这四个问题。在设计机翼时,要完全消除激波不可能,只能把激波减弱;要使激波的位置发生接近尾缘的地方,影响就会减小。推迟激波的出现办法就是后掠机翼和超临界机翼。现在我国大飞机工程当中,C919的超临界翼的设计是个最重要的问题,超临界翼设计好,飞行速度和安全系数就会提高。现在对我们来讲,声障不是问题,但是必须要认真对待。
 
接下来就要突破热障。工程上,将飞行速度分成几段:低于声速的叫亚音速、高亚音速,超过它就是超声速、高超声速。高速飞行器的表面蒙皮温度可以达到两千度以上,高超声速甚至可以达到八千度,因此,必须解决防热问题。之前提到的航天飞机事故,就是因为气动热的问题没解决好。
 
■流体力学面临的挑战
 
人类所有的生产活动和生活中,流动现象无处不在,所以,流体力学的用处非常广泛。
 
比如航空工程。世界上比较好的两大公司是空客和波音公司,我国航空工程的发展几经波折,走了不少弯路,已经研制了运十、ARJ、C919等等。对航空来讲,新的挑战在于轻、快、省、静、安全、舒适。超临界机翼、旋涡分离、气动弹性和流动控制等这些问题,对空气动力学家、流体力学家来讲仍旧是一个挑战。我国在发动机方面也还比较落后。航空发动机比火箭发动机难,火箭发动机是一次性的,用完就不要了,而航空发动机要长时间飞行,要考虑它的经济性、安全性,材料的耐热性等,所以航空发动机的材料是很重要的。
 
中国的航天总体来讲是比较先进的,位于世界第三。现在要发展的是空间应用,如:应用卫星与空间站。我们要发射小型空间站,要长时间在上面工作。我们已经完成载人飞行和出舱行走,下一步就是交会对接、天地间运输系统和观测技术。天地间运输系统中,飞船比较安全和经济,但是总体来讲,飞船也有不足之处,落点不准确。深空探测我们有嫦娥工程,最近嫦娥二号已经飞到了离我们150万公里以外。我想,我们投资还是重点放在跟国民经济有密切关系的地方。所以,航天面临的新挑战主要是天地间的运输系统,从无人发射到载人航天,从近地卫星到深空探测,从高空弹道到低空巡航,从垂直起降到水平起降。将来要研制像飞机一样水平升降的飞行器,要把航空和航天结合起来,因此一体化设计,非烧蚀防热、先进推进装置成为关键技术。
 
周培源曾经说过,只要自然界存在着机械运动,以及机械运动和其他各级运动形式的相互联系,力学就永远有无止境的研究课题,就永远有无限光辉的前景。所以流体力学在国家经济社会中有众多的新的机遇和挑战,需要年轻一代努力奋斗,来解决我们的问题!
 
■问答
 
提问:我的第一个问题是,要解决比如说航天、海洋、能源、环境问题,是用数学模式、物理思想、现代的超级计算机,还是兼而有之?第二个问题,请您前瞻一下,如果某些力学问题解决了,它能够带动哪些技术,解决人类的哪些问题?谢谢。
 
李家春:关于研究手段,比如气候预报,需要的计算量非常大,单纯靠手算是不现实的。一百年以前曾有一位天文学家预测一个天体运动,推导了一百多项,后来发现计算错了,结果算了一辈子都白算了,所以没有计算机不行。但是现在有另外一种趋向,就是年轻人不爱学数学,物理,单单学计算机,而且公式不推了,程序也不编了,为什么啊?因为有软件。人家编好程了,他只需要输进去数据,结果就能出来,挺不错啊,就是他不了解里边的含义,错了也没法改,这是不行的。只有学习了数学、物理中基本的知识以后,才能了解算出来东西对还是不对,了解里边的规律是什么,才能做到创新。
 
您的第二个问题,我举个例子——湍流,这是一个百年的难题。湍流是1883年雷诺发现的,实际上在我们周围到处都是,水流里边、大气里边到处是湍流现象。但解决它又非常难,因它是无规则运动。20世纪以来有很大进步,第一条,就是把它的发生原因、转变过程、统计规律以及它的结构弄清楚了,但现在要预测它,对飞行力学、空气阻力、传热这些现象十分重要。另一方面,因为它的尺度非常小,计算机能力还不行,现在十的七次方已经很多了,它可能要算到十的十五次方,现在做不到,所以还要靠大脑的智慧。大家要知道,不必要把所有物质都分辨到原子、分子,这不可能,只有依靠物理思想对小尺度的现象建立模型,进行简化,计算量就大大减少了。所以还要学普朗特的精神。如果这个问题解决了,实现了减阻,每年都能省很多石油,可以把环境污染问题做得更好。
 
另外,污染处理问题。流水不腐,户枢不蠹。水流动起来了就不会发生污染,这是非常简单的原理。但是处理污染事件时,做环境的人往往只用化学的方法,或者只用生态的方法,而不用流动的办法。实际上处理苏州河的时候,做流体力学就考虑利用潮水涨落把污染物带出去,这能提高效率、节省费用。昆明的滇池到现在为止也没有解决好。所以光靠化学不行,一定要用流体力学原理,利用或产生流动,使得水活起来,污染就可以治理好了。
 
提问:蜜蜂飞时会突然在半空中停住,同时翅膀还在不停扇动,它和流体力学有关吗?
 
李家春:现在有一种生物流体力学,专门研究对人类的健康、植物的生长、体育运动中的流体力学问题。生物流体力学还有一个方向,专门研究生物运动,包括:鸟类的飞行,昆虫的飞行与鱼类的游动。靠翅膀运动要做到两条,第一是周围形成很多涡,产生力场,保证它的升力大于体重;第二条,要节省它的能耗。所以实现悬停要做到升力要足够大,以便保持平衡,同时能量消耗要小,才能长时间维持。不同的生物运动方式各不相同,悬停运动只是其中一种,还有鹰或者大雁的运动方式。我们通过研究它周围的流场结构,计算它的作用力和能耗,来看看是不是能长时间维持平衡。了解了原理后,我们便可以通过仿生学,研制微型飞机。
 
 
 
 
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