關(guān)于沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器的思考

班號(hào)：1002201姓名：王雪純學(xué)號(hào)：1100200625

在每節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)的課堂上，老師都會(huì)普及一些相關(guān)的科普知識(shí)。記得有一次，老師講到了雪檐和沙丘的駐渦現(xiàn)象，問大家是否見過。我細(xì)細(xì)回想了下我之前去過的內(nèi)蒙的響沙灣，那是一片被開發(fā)成旅游景點(diǎn)的沙漠，確實(shí)有很多處沙丘駐渦現(xiàn)象。雖然風(fēng)很大，沙丘表面會(huì)有細(xì)細(xì)的沙飄飄灑灑，但是新月形狀的沙丘卻不會(huì)像其它形狀的沙丘隨風(fēng)變形，而是始終保持自己固有的形狀不變。這個(gè)沙丘駐渦現(xiàn)象引起了我的興趣，但在課本上簡(jiǎn)單記下幾筆后，就把對(duì)此的深入思考擱置到了一邊。

附圖：

雪檐

沙丘

在剛剛結(jié)束不久的實(shí)習(xí)中，我們?nèi)嗟缴蜿柲硞€(gè)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)廠學(xué)習(xí)參觀，更細(xì)致地了解到關(guān)于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)知識(shí)，其中一位為我們講解的老教授正是著名的高歌教授的大學(xué)同班同學(xué)，這讓我想起了高歌教授發(fā)明的應(yīng)用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器，以及在空氣動(dòng)力學(xué)課堂上老師講到的沙丘駐渦現(xiàn)象。于是，我決定對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步的了解與思考。

沙丘駐渦穩(wěn)定器的發(fā)明過程

通過查找資料，我了解到了一些關(guān)于高歌教授的背景，以及他的沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器的發(fā)明過程。

高歌教授大學(xué)畢業(yè)后，從1968年一直到1978年，都在青海沙漠地區(qū)工作。在沙漠里有新月形的沙丘，這是司空見慣的事情。但這種沙丘有一個(gè)很奇怪的特性，無論風(fēng)怎么大，這個(gè)沙丘依然保持著它原有的月牙形狀。為什么它維持不變，就引起了他的興趣。它之所以這樣穩(wěn)定，一定是氣流后面的流場(chǎng)繞過沙丘后形成的旋渦特別的穩(wěn)定。因?yàn)樽匀唤绲默F(xiàn)象必然是最合理的，它們都遵循物理學(xué)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。

高歌來到北航當(dāng)研究生后，和他的教授談?wù)撨@種現(xiàn)象。教授說，一定要從旋渦的特性上來研究這個(gè)東西。搞流體力學(xué)的人，一怕粘、二怕旋。所以大家在研究時(shí)，都避免研究這個(gè)東西，偏愛研究無粘流，這樣就把最困難的題目避開了。

要解決這項(xiàng)難題，首先要過計(jì)算關(guān)。沙丘是一個(gè)三維體，所以就要想法計(jì)算出三維物體后面的流場(chǎng)。當(dāng)時(shí)，國際上有關(guān)計(jì)算三維問題的文章是很少的，而二維問題則早在十幾年前就計(jì)算出來了。三維問題之所以計(jì)算不出來，是因?yàn)橛?jì)算方法非常費(fèi)時(shí)間。對(duì)于一個(gè)二維問題，如果把所要計(jì)算的整個(gè)流場(chǎng)均分為五千個(gè)網(wǎng)點(diǎn)來計(jì)算，當(dāng)時(shí)在百萬次的計(jì)算機(jī)上只需一、兩個(gè)小時(shí)就能算出。對(duì)于一個(gè)三維問題，也將流場(chǎng)分為五千個(gè)點(diǎn)來計(jì)算，根據(jù)當(dāng)時(shí)美國馬里蘭州的一位教授來中國講學(xué)時(shí)說的，在一個(gè)百萬次的計(jì)算機(jī)上，需要汁算五千個(gè)小時(shí)。這實(shí)際上是沒法計(jì)算的，因?yàn)橐慌_(tái)計(jì)算機(jī)不可能為你二個(gè)人連續(xù)不斷開八個(gè)月。所以對(duì)三維問題，只能算七、八百點(diǎn)，太多了計(jì)算機(jī)也難以算出。要對(duì)沙丘進(jìn)行分析，就必須把它攙流場(chǎng)摸清楚。不計(jì)算，也可以用實(shí)驗(yàn)方法，但既費(fèi)時(shí)間又費(fèi)資金，最好還是計(jì)算出來，高歌在寧幌教授的指導(dǎo)下，開始探索一種新的計(jì)算方法。

算粘流要解橢園形偏微分方程。他當(dāng)時(shí)看了幾十種計(jì)算方法，把每種方法的優(yōu)點(diǎn)都挑出來，缺點(diǎn)也列出來，反復(fù)琢磨，搞了兩個(gè)多月，對(duì)其中的三、四種方法特別喜歡。這種喜歡是一種感覺上的喜歡，為什么喜歡也說不出來，總之從感情上覺得傾向于這幾種方法。然后他就對(duì)這三、四種方法反復(fù)琢磨、反復(fù)想，總想把它們的優(yōu)點(diǎn)都捏在一起，搞出一種新方法來。在那段時(shí)間里，他白天黑夜都在思考這個(gè)問題，可總是合不起來。天天想、白天想、晚上想吃飯也想、晚上作夢(mèng)也想。有一天晚上，快熄燈了，他去刷牙，刷著刷著，突然好象腦子里一閃念?！粋€(gè)概念……他把牙缸牙刷扔在水池里，趕快跑進(jìn)屋把它們記下來，沒幾分鐘，就把三、四種方法的優(yōu)點(diǎn)合在一起了。想了兩個(gè)多月，把它合在一起只用了幾分鐘！過了幾天，編成程序就算，然后做了一些改進(jìn)，這方法就通了。大概前后用了四、五個(gè)月，搞出一種三維計(jì)算方法，按照這種方法，他把沙丘空間流場(chǎng)分成三千個(gè)點(diǎn)，在一臺(tái)十九萬次的計(jì)算機(jī)上用兩個(gè)小時(shí)就把它的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)算出來了。這個(gè)速度與當(dāng)時(shí)國際水平相比快了上千倍。

算出流場(chǎng)之后，對(duì)沙丘后面這個(gè)流場(chǎng)進(jìn)行分析便知道了它的基本特點(diǎn)。沙丘后面的旋渦如此穩(wěn)定的原因有兩個(gè)，實(shí)際上已經(jīng)是自然界或人類社會(huì)早就利用的了。一個(gè)是龍卷風(fēng)的原理，還有一個(gè)就是沙丘后面這個(gè)旋渦形成了一個(gè)拱橋結(jié)構(gòu)，前面寬，后面窄，一個(gè)個(gè)的旋渦擠在一起，就特別堅(jiān)固，想脫落也脫落不下去。拱形橋之所以很結(jié)實(shí)，其原因人們?cè)缇椭懒?，但是沒有人想到用拱橋原理來說明穩(wěn)定問題。旋渦穩(wěn)定問題解決之后，他們就做實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種沙丘型穩(wěn)定器的阻力非常之小，只有原來V型槽阻力的四分之一到五分之一，減了百分之七、八十的阻力。所以發(fā)動(dòng)機(jī)的推力損失一下子就減少了很多。

計(jì)算這一關(guān)是過了，但計(jì)算是一種近似模擬方法，只能得出一個(gè)近似解來，從理論上并沒有完滿地解釋出它為什么穩(wěn)定，所以還必須進(jìn)行理論上的分析。這方面的資料，國際上的參考文獻(xiàn)非常少，大家都不大愿意搞。從1870年到1960年近一百年，推導(dǎo)穩(wěn)定性的理論方法沒有多大差別。他對(duì)這些方法進(jìn)行了仔細(xì)分析后，覺得過去的方法在基本的物理假設(shè)和概念上，在出發(fā)點(diǎn)上都過于簡(jiǎn)化了。把粘性、旋渦的旋轉(zhuǎn)特性甩了出去。起碼應(yīng)該把離心力和哥氏力這兩個(gè)在旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中存在的力加進(jìn)去。他將這兩項(xiàng)加在方程中，重新推導(dǎo)了一遍，搞出來一個(gè)比別人的多幾項(xiàng)的稍微復(fù)雜一些的結(jié)果，好象也沒有什么突出的地方。他反復(fù)想，為什么將主要因素都包括進(jìn)去之后，所得到的結(jié)果還同別人的差不多呢？思考了好長(zhǎng)時(shí)間，后來有一天晚卜，睡著了，他做夢(mèng)，夢(mèng)見有人對(duì)他說，你推的這個(gè)穩(wěn)定性界限雖然比別人的復(fù)雜，但也只有一個(gè)界限，實(shí)際上什么事情都有兩個(gè)極端，就好象你吃多了要撐死，吃少了要餓死，你怎么能只有一個(gè)穩(wěn)定準(zhǔn)則呢？他一下子就驚醒了，趕忙在墻上用手摳了兩條道，那意思就說應(yīng)該有兩個(gè)準(zhǔn)則。緊接著他又呼呼也睡著了。第二天早晨他起來想，昨天晚上干什么來著？看看墻上劃了個(gè)=，他想起來了！有兩個(gè)準(zhǔn)則。事物有一個(gè)上限，也有一個(gè)下限，不可能只有一個(gè)界限，任何事物都有兩個(gè)極端，這是一個(gè)哲學(xué)上的普遍規(guī)律。他整整推導(dǎo)了一天，最后發(fā)現(xiàn)如果應(yīng)用廣義的熱力學(xué)第二定律，就可以找到另外一個(gè)準(zhǔn)則，就是一個(gè)上限。過去所有的旋渦準(zhǔn)則都是下限，原來他推導(dǎo)出來的也只是下限，經(jīng)這樣努力了一整天，又推導(dǎo)出了一個(gè)上限。然后就反復(fù)檢驗(yàn)，天天都進(jìn)行推導(dǎo)，草稿紙也不知摞了多厚。過了半個(gè)月之后，他發(fā)現(xiàn)那天推導(dǎo)出來的新準(zhǔn)則全錯(cuò)了。又經(jīng)過半個(gè)多月的反復(fù)推敲，終于把一個(gè)正確的準(zhǔn)則找出來了。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)旋渦的穩(wěn)定確實(shí)有一個(gè)上限，有一個(gè)下限，旋渦轉(zhuǎn)得太慢了，不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)得太快了，也不穩(wěn)定。經(jīng)過計(jì)算一一實(shí)驗(yàn)的反復(fù)過程后，對(duì)它的流體力學(xué)特性很清楚了。后來進(jìn)行火焰實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這種火焰穩(wěn)定器非常穩(wěn)定，比過去的V型槽穩(wěn)定器擴(kuò)大穩(wěn)定性六到八倍。過去搞了幾十年，能擴(kuò)大10%、20%的穩(wěn)定性就不錯(cuò)了，但新的穩(wěn)定器一開始做實(shí)驗(yàn)得到的穩(wěn)定曲線比V型槽的擴(kuò)多六倍多。他自己都不敢相信這種實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在第一次給學(xué)校搞這個(gè)專業(yè)的老師們報(bào)告時(shí)，到場(chǎng)的大概有十幾個(gè)人，其中只有一兩個(gè)人相信是真的，大部分人都不相信，認(rèn)為不太可能，后來請(qǐng)大家去看實(shí)驗(yàn)，看了實(shí)驗(yàn)后大家才相信了。

這樣，經(jīng)過從1981年開始做實(shí)驗(yàn)，1982年做高空模擬實(shí)驗(yàn)1982年到1983年初做發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)實(shí)驗(yàn)，1984年進(jìn)行高空試飛最后定型開始實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)過四年多時(shí)問，完成了這項(xiàng)重大技術(shù)發(fā)明。

沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器的性能

這便是中國自主研制的沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器，不過難以從各類資源上找到這種穩(wěn)定器的照片，無法與大家分享。大致是把原來的V字形的卡門渦街火焰穩(wěn)定器改成有弧度的月牙形，由相互對(duì)稱的形狀類似于沙漠中天然形成的月牙形沙丘的二個(gè)曲面上下拼合組成。由多個(gè)穩(wěn)定器可構(gòu)成穩(wěn)定器組合件。本發(fā)明比目前使用的Ｖ型槽穩(wěn)定器的穩(wěn)定性好、阻力小、燃燒效率高、不易振蕩燃燒。成果既適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)，又適用于工業(yè)燃油鍋爐和船舶等。使用證明，產(chǎn)品提高了燃燒效率與火焰穩(wěn)定性，降低了流體阻力和振蕩損失，推廣后大幅度提高了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的合格率，使中國在這一技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)入世界前沿。該項(xiàng)成果的獨(dú)創(chuàng)性與實(shí)用性得到權(quán)威專家的高度評(píng)價(jià)。

沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器的應(yīng)用及關(guān)于它的猜測(cè)

但是，據(jù)了解，性能更為優(yōu)越的沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器并沒有廣泛應(yīng)用于現(xiàn)在的發(fā)動(dòng)機(jī)，在新的太行系列中，加力燃燒室繼續(xù)使用老式的V型槽穩(wěn)定器，這是為什么呢？

據(jù)我自己的猜測(cè)，以及在實(shí)習(xí)過程中，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)廠學(xué)到的知識(shí)為輔助，我認(rèn)為，沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu)要比V型槽穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。相較于國外，國內(nèi)的加工工藝水平還比較落后，要實(shí)現(xiàn)我們自主研發(fā)的穩(wěn)定器的批量生產(chǎn)還比較困難，并且有可能收益會(huì)趕不上付出。同時(shí)，盡管新型穩(wěn)定器在加力燃燒室內(nèi)的效果要比V型的好，但是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的更新?lián)Q代，發(fā)動(dòng)機(jī)中的工作溫度在不斷提升，要使沙丘駐渦穩(wěn)定器適應(yīng)目前較高的工作溫度，在現(xiàn)有的工藝處理水平上，實(shí)現(xiàn)起來還有較大的困難。在工廠中，我了解到材料的耐熱性的處理，在一定程度上制約了我國發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，所以，熱處理工藝在這類的軍工制造方面起著十分重要的作用，我們必須加快發(fā)展的步伐。但是，目前我國的現(xiàn)狀決定，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研究發(fā)展重點(diǎn)還是在核心機(jī)上，其他零部件可以暫時(shí)依附于國外的技術(shù)。因此，要想全面提升我國的航空發(fā)動(dòng)機(jī)水平，還有很長(zhǎng)的路要走。

以上僅為我的猜測(cè)，歡迎批評(píng)指正。

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