《力学园地》编辑部：

　　我们是几个刚刚通过高考准备踏进大学的年轻人，很希望知道你们力学工作者是怎么从事实验研究的。能分享你们的经验和体会吗？

几个小青年

2022年8月5日

对流体实验设计的思考

柳绮年

　　人们通常把自然科学领域的研究方式分为理论研究和实验研究两大类。回顾几个世纪以来的自然科学发展的历程可以发现，重大的科学与技术发明或发现都离不开“实验”研究的求证。美国学者Morris.H.Shamos 在1960年出版的《物理史上的重要实验》一书中介绍了20多位著名科学家的实验研究，他们从命题、推论、实验研究中获得了定律和理论，这些证明了实验研究的重要性。获得诺贝尔奖的著名物理学家丁肇中教授在他的《我所经历的物理实验》演讲中，对实验研究做了精辟的论述。他指出：实验是自然科学的基础，理论如果没有实验的证明，是没有意义的。当实验推翻了理论后，才可能创建新的理论，理论不可能推翻实验。过去400年，我们对物质基本结构的基本了解，大都来自于实验物理。

　　在近代流体力学研究中，实验研究同样不可或缺。近年来，我国在高铁、航母、海洋风力发电机、航天飞行器等一系列领域取得了举世瞩目的进展，它们的研发都离不开实验研究，只有在大量实验数据的基础上，才可能研制出可靠的产品。作为在实验室工作数十年的科研工作者，我更有切身体验：科学没有捷径，不能投机取巧，如果你不踏踏实实地准备和完成实验，必将一事无成。我们的前辈——钱学森、郭永怀等力学大师，都非常重视实验研究，记得郭所长在星期日常常到各个实验室来视察，让我们汇报工作进展并给予具体指导。我在实验室里摸爬滚打了几十年，既积累了些经验，也磨练了意志，这里就和年轻人说说从事实验研究的几点体会。

图1 航天飞行器、航母、航洋风力发电机的研发都与流体实验相关

流体实验方案的设计

　　要取得实验研究的成功，首先就要设计好实验。一般而言，流体实验大多数是模拟试验，也就是说，采用小型的缩比模型来取得所需的科学数据。以大家熟知的风洞实验为例，要测量航天飞机所受的气动力，总不能把那么大的航天飞机放到风洞里吧！人们需要依据风洞实验段的尺寸并按照几何相似准则制作一个模型航天飞机。那么，如何设计风洞的来流条件呢？概括地说，流体实验模拟首先要满足动力学相似，即一些根据理论分析给出的无量纲参数要相同。对于上述的气动力测量，相似参数是马赫数、雷诺数等。当然，对于不同的实验，相似参数是不同的，例如研究水中航行的超空泡鱼雷的话，那就要求弗劳德数必须相等。不过，通常情况下，几何相似是必要条件。其次，针对所研究的对象，我们要提出合理的可行的实验方案，包括实验设备怎么建造？测试技术如何选取？数据处理怎样进行？都必须认真考虑、择优选取。总之，流体力学实验是一个系统工程，要求研究者除了具有良好的流体力学基础以外，还应有较为广阔的光、机、电知识，特别还需兼有较强的动手能力。理论研究成功与否，必须靠实验来检验。

　　现在有些人忽略了做实验，以为在电脑上做点计算就可以获得创新的成果，那是不切实际的幼稚想法。因为，只有实验才能揭示新的现象，获得新的发现。而且，实验研究是那么的有趣！有时，得到了新的结果，它让你兴奋；有时，一无所获，又让你失望。如果你只是重复了别人的实验，就没有任何价值；如果你想出的好方法，实验结果就会大放异彩。如何在实验中取得成功呢？我从自身的经历体会到：把实验方案设计好，就有70-80%的成功把握了，实验设计的过程甚至比结果更重要。

图2 在高超声速时弹体模型的激波纹影图像

因地制宜的建设原则

　　20世纪70年代末，力学所要开展天体物理、地球物理、生物流体力学等新学科的研究，我们课题组跨入了地球物理流体动力学的研究领域。在那个年代，我国的海洋研究非常落后，没有卫星观测，仅靠极少的海洋考察船收集近海海流的数据，海流对气候和陆架的影响，更是一无所知。我国有绵长的海岸线，丰富的海洋资源极待开发，我们需要开采海上石油、发展海军和航母,开展这一领域研究的意义是毋庸置疑的，包括一些基础性研究。可是，地球尺度如此庞大，大气、海洋运动的现象和规律如此复杂，怎样在实验室进行模拟和重现大气和海洋的运动呢？20世纪50-60年代，美英等国开发出一种旋转的实验平台，可以模拟地球旋转的科里奥利惯性力。这类平台的转速很低,同时特别平稳，在平台上放置水槽，以模拟海洋运动，但又不允许水面有抖动和波纹，与此同时，在水槽中放置实验模型，如陆架和岛屿地形等，流动现象也需同步测量和记录。这些都是对实验技术的考验。我们原本搞风洞实验，熟悉气动力实验的技术，搞海洋模拟，对水动力学的测试和认知只能从零开始。

　　当时国内仅有中科院大气所有一台模拟大气运动的平台，造价相当昂贵，其中支撑平台旋转的长主轴由电机驱动，滑动轴承传动伸向地下室，以保证精度和稳定性。而我们的实验室在办公大楼的二层，层高仅3米多，不可能将楼板打通，只能在有限高度内建平台。我们四处寻求技术途径，终于打听到大型雷达底座上采用直径500毫米的滚动轴承，旋转精度高且平稳，在北京房山某军工厂生产。我们就以滚动轴承代替滑动轴承，这是“因地制宜”的一个典型。我们的旋转平台以轴承为装置的核心，又选用了高精度可调速力矩电机驱动和可控硅闭环速度调控仪。旋转平台的工作区直径1.1米、高1米，旋转台底架上搭接直径2米可以站人的同步旋转地板，实验所需的照明、摄像、测试系统也安装在平台上，能同步工作。我们这台装置是国内首个用于海洋物理流体研究的平台（参见图3），其转速范围Ω=0.1-2.1弧度/秒（约0.5-20圈/分），平台的径向与轴向最大偏差约0.05毫米。由于选择的设计方案因地制宜，合理而先进，为实验研究打下良好基础。

图3 海洋物理地球流体旋转平台

物理机制的思考

　　在旋转平台上，我们按照物理模拟的需要，放置扇形容器或长水糟，再用内径4毫米的不锈钢管注入或吸出水，形成“源-汇”流动。这个旋转平台可以模拟地球的旋转，而扇形容器或长水糟内的水体便可以模拟海洋，此外容器内还要放置实验模型——陆架或岛屿地形等，我们直接观察和记录复杂的洋流现象。当然仅靠摄像机记录是无法显示流动的细节的。但那时的流动显示技术极其简单，我们就因陋就简地使用和水比重相近的直径0.5毫米的白色塑料小球作示踪粒子，在所需观察的界面以片光源照射，从而暗场中示踪粒子的运动轨迹能清楚显示海水的流态，达到了较好的效果。例如，我们用这个实验平台模拟了我国沿海大陆架和绕岛屿的洋流情况（参见图4）。观测资料表明，从赤道来的太平洋暖流“黑潮”是紧贴我国陆架蜿蜒北上而行的，我们模拟实验中就十分明显地展示了洋流沿地形流动的特征，这些结果为分析和探讨洋流边界层理论提供了依据。

图4 实验模拟结果图例——扇形容器中洋流图像

　　英国剑桥大学著名的流体力学家G.K. Batchelor 教授，是第一位参观我们实验室的外宾，他对我们的实验给予了高度评价。据此，中科院与英国皇家学会签订了合作协议，互换访问学者，进行地球物理流体的研究。20世纪80年代初，我在美国南加州大学访问，他们的实验室也有同类型的旋转平台，但装置并不比我们的更先进。回国以后，我们在这座自行研制的平台上继续开展了多项研究，并用实验观察到的现象，与海洋观测和卫星云图的图像进行了比较，达到了某种相互验证的效果，研究结果发表论文多篇（例如，力学学报1981，No.6，p.611；1983，NO.2,p.119）。这些工作得到了国内外同行的肯定。所以能得到成功，在于我们从课题开始，就注重搞清机理，细致地分析海洋洋流的物理机制，确定平台精度要求、旋转速度范围。整个研制过程历时约2年，才获得满意的结果。当然，成功也离不开精准的实验设计。 

创新思维勇于尝试

　　20世纪70年代以后，由于流动可视化技术的开发和应用，使过去依赖传感器在模型上或流场里以点或面接触方式测量参数的做法，演变成全场的三维显示方法。复杂流场的结构能在显示屏上更直观地一目了然，流场的信息量也扩大了无数倍。但是定格在图像中的是众多示踪粒子运动的无序迹线，如何从瞬息变化的迹线提取流场数字化的参数？这在实验研究中难度非常大，尤其是在多普勒测速技术（PIV）发明以前，而且我们做流体力学实验研究的多是要取得动态过程的信息。20世纪80年代，我在美国南加尼福利亚大学访问，Tony Maxthorthy教授提出研究海洋层结流体中湍流衰变问题。大家知道，在湍流场中流动本来就是紊乱和随机的，粒子运动的轨迹是无序的，怎样才知道湍流衰减的规律和它的尺度变化？用可视化技术描述整个场的变化则更难。 

　　我反复思索、考虑后认为：应该从流动随时间演化的图像变化着手，因为暗场中片光源照射下的粒子运动会在黑白底片。于是我做了大胆的尝试：在暗场照相同时触发相机的闪光灯，使每一条亮线的开端有更强的亮点。因为粒子运动速度约为0-10毫米/秒,相机快门的曝光速度设在1/4至1秒,而闪光灯的触发脉冲在1/125秒，极短的瞬间停留在底片上只是一个亮点而非亮线，这样就把亮线和亮点在瞬间叠加了！在拍摄到的图片上，得到的是许多“大头针”型的亮线，使粒子的运动走向带有“标记”了（参见图5），这样我们就记录到了流场在某个时间序列变化的过程。再利用50x50厘米的数字图像采集板，通过手工把图像中的每一颗“大头针”输入到计算机终端去采集，再通过程序计算，获得了粒子运动在某瞬间的位移及速度。非常幸运的是，在一个时间周期后，由图像序列看，可以给出湍流速度逐渐衰减的规律。这个结果也发表在学术期刊上（例如，J. Geophysical Research,V92,No. C5,1987; 粒子示踪法测量湍流结构, 第二届全国流动显示会议文集，1986）。当然，现在看来，这是一个非常初级的简单技术，但它简单、易行、实用，而且很快就取得了研究所需的数据。记得我们力学所的老所长郭永怀先生曾经说过，学会用最省钱的方法解决困难的问题，那才是真本领！ 

图5 湍流粒子示踪及图像处理

　　多年后，这项技术还成功用于钢铁方坯连铸水模研究中（参见图6和图7）。这是武汉钢铁厂的一个项目，为了研究在四方坯连铸工艺流程的中间包内钢水的流动过程。我设计建造了一个冷态模拟装置，其中按照几何相似原子设置了堰坝、和塞棒，并安置了出水口（参见图6）。图7显示了试验中某个时刻钢水锋面的形态，其中采用蓝色液体来模拟钢水。我们采用摄像机记录钢水流经堰坝、塞棒并到达和出水口的整个过程（参见图8）。在试验中，我们通过改变堰坝结构和位置，来调整钢水的流态，以达到四方坯连续均匀出钢、提高产能的目的。这项研究为钢厂优化中间包设计提供了科学依据。任务完成后，还有一些同行用此技术指导研究生完成论文。我觉得研究结果能被更多的人来应用就是最好的肯定。而我们从事实验研究的人，在实验研究中需要保持创新思维，不断去尝试新的技术和方法。 

图6 四方坯连铸中间包冷态模拟装置

图7 钢水锋面流动显示

图8 钢水在中间包流动全过程显示

　　现代科技进步突飞猛进，有更好的条件进行实验研究，我希望更多的年轻学者勇于创新，献身实验研究。我坚信年轻的学者肯定会比我们这一代人做得更好！

　　致谢：力学所王柏懿研究员，对本文作了补充和修改,提供非常有益的帮助，特此致谢！