爆震(一)

作者:尹俊杰来源:蝌蚪五线谱发布时间:2020-10-12

燃烧过后,就成了灰烬。错过的,终究错过了。

 直到大三那年,我才第一次意识到:燃烧,也是一门很美的学科。

正如本生灯实验中展现出的那种简洁的美。将一台简单的煤气灯放置在桌面上,当你旋转氧气阀,让燃气和空气以不同的比例进行混合时,你就能够得到不同形态的火焰:燃气没有和空气预先混合,那么火焰是尖尖的,呈现出明亮的橙黄色;随着空气比例的不断增加,火焰的浅蓝色焰芯逐渐变得清晰,而外焰则成为了一团暗红色的光晕。

如果说本生灯实验本身不够精彩,更妙的是,在这简单的实验背后隐藏着严谨的物理规律。火焰之所以能在不同的空燃比下达到稳定,形成火焰面,是因为可燃气流的流动速度和火焰传播速度大小相等,这时候,我们就得到了火焰传播的余弦定理。在各种各样的因素作用下,可燃混气在一个近似于旋转抛物面的界面上形成了火焰前锋,并达到稳定。在那个界面,化学反应作用最为强烈,分子化学键中蕴含的能量在此时释放,变为温暖的热能和绚烂的光能。

等我明白这一切之后,我不禁发出了感叹:现代燃烧学,就像是各式奇幻作品中的火焰魔法,本质上就是一门研究如何驯服火的学科。从这个角度来讲,我们这些热能动力工程的从业者,其实和几十万年前围绕在篝火旁的原始人并无区别。

驾驭火焰,这个称号,难道还不够酷吗?

当我学完这门课,对燃烧学有了系统的认识后,我发现“驾驭火焰”这四字并没有表面上那么容易。我们可以轻易地掌控本生灯的燃烧方式,那是因为本生灯的燃烧是一个低速、二维的反应。如果我们将燃烧的状态变得更加复杂,比如燃气轮机的燃烧室,在那个三维、非定常的扩散燃烧中,我们不可能找到一个如同余弦定理一样、可以简单表述火焰锋面稳定规律的方程。驯服那样的猛火,才是我们现代工程研究人员亟需解答的难题。

老师在上课时候跟我们说,当可燃混气的流动状况极为复杂,也就是强湍流状态时,气流内存在的大量不规则涡旋运动,这样的燃烧会成为大尺度强湍流火焰。在那时,连一个连续的火焰面都已经不复存在,我们只能用容积燃烧理论来描述它。那种情况下,可燃混气已经被分割成无数的“小岛”——流体微团,在每个微团内都会进行着快慢不同的独立的燃烧。微团之间不断进行着能量、物质交换,化学反应的强度也随着反应的进行不断变化着。

说到这里,我已经晕了。我实在无法理解这种过于抽象的概念。老师在讲完之后,补充了一句:“这么复杂的燃烧,怎么可能用数值表达清楚,根本就研究不了。”没错啊,我在心里默默地掂量着,如果这种东西都有人能算出来,那他干脆去预测未来得了,反正都需要大量的运算。

幸好,我们并不需要真正去计算大尺度强湍流火焰,在一大堆由实验结果总结的经验公式之下,我们可以绕过这个问题。

老师还说,在反应温度很高的时候,可燃混气将不发生缓燃燃烧,而是爆震——一种爆炸。爆震波以超音速推进,同时会在短时间内释放巨大的能量,破坏力巨大,经常会在能源工业领域引发灾害。不过,在这个过程中,爆震波携带大量的能量也可以加以利用。爆震燃烧也是一种高效的动力来源,当然,前提是人类能够驾驭它。

诸如大尺度强湍流火焰和爆震这类难题,它们就像是脾气暴躁的火焰巨龙,威力巨大,但是没人敢接近他们。

将他们驯服,就是我们要做的事情。

但是课程结束后,我对燃烧学那种中二的幻想完全破灭了。在期末考试的复习中,我深切体会到了这些“巨龙”的愤怒。燃烧学本就是一门建立在化学、流体力学和传热学基础上的复杂学科,当我不再只是走马观花地听一遍,而是试着学进去的时候,我终于明白:任何科学,当你深入了解它时,它并不会像表面看上去那么优美。除非——你真正掌握了它。

很可惜,我并没有达到那种程度。

不久之后,期末考试结束了。和其他学科一样,我那种比金鱼强一丢丢的记忆力让我在考完试三天内就把课程的内容忘得几乎一干二净。在之后的暑假和大四的日子里,我随着广大人群准备考研。经过一番摧残之后,我终于如愿以偿考上了研究生,能够松下一口气,选择自己未来的导师了。当我还在迷茫的时候,我想起去年的燃烧学课,想起了燃烧那份独一无二的美。

因此,我决定师从我的燃烧学老师,进行脉冲爆震发动机相关的课题研究。

传统航空发动机的燃烧室中,燃烧是稳定连续进行的。而所谓的脉冲爆震发动机,顾名思义,它的燃烧室内不再进行稳定燃烧,而是脉冲式的爆震燃烧。这种爆震燃烧可以大大增加发动机的推进效率,只要爆震波的脉冲频率够大——足以让推力保持连续。

而我们的终极目标,就是造出性能达标的脉冲爆震发动机。

作为刚来的研究生萌新,我仅仅是对这个高大上的名词有一个模糊的概念。因此,老师让一位姓杨的学长带我,帮我尽快融入环境。杨学长很热心,为我解答了不少相当专业的难题。我跟他聊了快一晚上,最后,无奈地喊道:“啊呀,这东西也太难做了吧!”

杨学长微微摇头:“它是很难,但我们一点点把所有难点攻克,最后,我们还是会取得成功。”

我不理解地看着他,想必杨学长也比我老练许多,他这么乐观,看来搞这方面真没有我想象得那么头疼了。于是,我把自己那些关于燃烧学的中二幻想告诉了他。

杨学长先是严肃地听着,但最后他实在是憋不住,耿直地笑了起来:“得,你小子真是知识屁也不懂,能力屁也没有,但是说什么哲理倒是一溜一溜的。来,你给我写一遍Navier-Stokes方程,然后看着它,告诉我,你管这玩意儿叫美?”

我一时语塞,有那么一瞬间,我想起了曾经期末考试带来的恐惧。

杨学长还不忘补充道:“星睿啊,你不会是考研把脑子考傻了吧?”

对杨学长的冷嘲热讽,我竟然无可反驳,只能不甘心地说道:“学长,如果你不觉得一门学科美,那你又怎么会有动力钻研下去呢?”

杨学长收回之前的嬉皮笑脸,表情再次变得严肃,“我没有你那种文采,说不到什么美呀之类的。燃烧这门学科给我的感觉,就是很有逻辑性。因为再复杂的难题,都可以通过一些更加简洁的方法来解决。”

“就像我们现在试着研究爆震?”我问道。

“不仅如此,在未来,我们面对的难题可能比它更加复杂。”

我的基础还算不错,杨学长夸了我一番。然而,在真正参与到工作中之前,杨学长还教了我一项必备的技能:CFD——计算流体动力学。

我们都知道,航空发动机燃烧室内的流动极其复杂。如果我们想要用理论来表述它,就不可避免要对燃烧模型做极大的抽象和简化。然而,Navier-Stokes方程是非线性的,我们几乎不可能给出相关的解;直接实验更是困难重重。如果将整个三维流场离散为几百万个独立的点,假设这些点内部的基本物理量均匀相等,把控制流动的方程作用于各点的外侧,给予一定的初始条件,计算机就可以进行运算,给出一个经过离散后的数值解。在CFD中,几乎所有定律都变得简洁,就连Navier-Stokes方程也可爱了起来。

在杨学长的悉心指导下,我对CFD的了解逐渐深入,学会了一些商用CFD软件的使用方法。我之前对CFD的作用已经有所耳闻,但当我第一次使用CFD软件算出一个流场的数值解时,我还是再一次感叹于科技的进步。如果不是计算机科学的进展和运算力的提升,完成这种复杂燃烧模型的计算是绝对不可能实现的。

也许,在驯服火焰这件事上,我们确实领先了几万年前的祖先太多太多。

杨学长是使用CFD软件的高手,每次看到他熟练地操作,我都是发自内心地佩服他。因此,每次我有什么软件使用或者建模的问题,我都会向他请教。杨学长人也很热心,基本上都是手把手带我。在他的帮助下,我开始了坎坷的研究生学习之路。

有一次,在杨学长帮我解决掉一个问题后,我感慨道:“CFD真是一个好东西,无论看上去多么复杂的模型,只要操作得当,我们都可以很快得到数值解。”

“那当然,”杨学长耸了耸肩,“你这些还算简单的。你去找找现在前沿的论文,上面可比你整的这个难多了。”

“那么,如果CFD不断发展,我们真的可以解决燃烧学的所有难题吗?”我问道,“比如大尺度强湍流火焰?”

杨学长愣了一下,回答道:“可能——吧。不过,有些东西是不能用CFD解出来的。”

看着我疑惑的表情,杨学长补充道:“因为,即使你不断缩短时间步长、精细划分网格、改进模型和算法,你得到的只会是数值上的近似解。就算这个解和真实值很接近,它也终究不是精确解。但在某些工程情况下,我们需要的正是精确解。”

我更加困惑了,而杨学长却不想继续回答我的问题。我估计是他也不知道该怎么说了,他不耐烦地挥挥手:“一边去,别问了,我也不知道!”

我悻悻地低下了头,试图为这个问题寻找一个答案,但是一无所获。最后,我只能安慰自己:反正我也用不上,想太多纯属自讨苦吃。于是,我不再纠结它,尽管它依然在我的心里转悠了好一段日子。

或许有些流体力学问题真的不能用CFD来解决。

在杨学长的帮助下,我跟上其他成员的节奏,能够顺利地完成老师给我布置的任务了。转眼之间,第一年研究生的学习就快要结束。在学期末,老师准备带我们所有人参加一项课题组内的传统活动——中国工程热物理学会举办的燃烧学学术年会。

听到了这个消息,我还是蛮兴奋的。毕竟,我其实根本什么都不懂,去了也只能全程听听大佬们的讲座,跟着划划水。关键是能去合肥玩一趟,公费旅游,也算不错了啊。我兴冲冲地上网去查当地有什么好玩的地方、特色美食之类的,但是杨学长随后就给我的热情浇了盆凉水。

“得了吧,你真当我们是去玩的?”杨学长说道,“咱们是诚心诚意去交流的,所以,咱就在那呆四天,每天都要去会场上呆着。年会一结束我们就立刻回来,能自由支配的时间只有晚上。你要是有精力熬夜出去逛的话,也不是不行。”

“那也太没意思了吧!”我抱怨道。

“哎我说,你小子就不能想点正经的。咱们去那种大型的学术会议里感受感受氛围多好啊,不比你窝在寝室里打游戏强?我们可是没多少机会亲眼见到大神聚堆呢。”

我虽然很不情愿,但也只能接受了杨学长的说辞。既然我没机会公费旅游了,那就争取好好听讲吧。几天之后,我终于有机会来了合肥,参加了我人生中第一场大型学术会议。杨学长骗了我,老师没有对我们的到场安排要求,只需要在第三天关于爆震和超声速燃烧的讲座上出勤就行了,其他地方,随便听听就可以。但是按照杨学长的说法,“感受感受氛围”,因此,我也只能无可奈何地陪着他全程坐在后排听讲。

前两天,讲座大部分的内容都和我们所搞的方向不同,比如内燃机、火灾控制之类的,而且,他们讲的都是非常前沿的东西,想做一个科普听都听不懂。我只能勉强跟着杨学长全程听完了一个个讲座,晚上去宾馆更是倒头便睡,根本没精力再出去玩。甚至连第三天该打起精神认真听的时候我也浑浑噩噩,努力强撑着听讲,然而什么都听不进去。

直到我右侧最靠边的妹子吸引了我的注意力。第一眼看过去,我还以为她是某位教授,过了几秒才看出来是个女孩子。哇,竟然有女生对脉冲爆震发动机感兴趣吗,我想到,还是个这么漂亮的小姐姐!

杨学长拍了拍我的肩膀,把我吓了一跳,“怎么?喜欢上人家姑娘了啊?”他小声问道。

“没有。就是挺好奇的,为什么会有女生……而且,她不是咱们院的吧。”我开始回忆同专业那几名少得可怜的女生,那些人肯定都没来。

“应该不是,不过,她是咱们学校的,”杨学长说,“来的时候我在校车上看见她了。”

“可是……不是咱们院的,为什么要来听这个?老杨,你没看错吧?”

“人家就不能是航天或者航海院的,再不济,理工院的不是也可以吗?你找人家问清楚就行了。”杨学长反驳道。

“还是说不通啊。老杨,你确定你没看错?”

“不信我就算了。”杨学长回答,“对了,先安静。等讲座结束了再说。”

我们不再说话,沉下心来听讲座。等到讲座终于结束,我们从会场中走出来的时候,杨学长狠狠地拐了我一下。我呲着牙转头准备吐槽一番,而学长只是向前方使了个眼神。我顺着他的目光看去,之前看见的那个女生正在前方站着看手机。

“上啊。”杨学长说。

“你怎么不上?”我反问道。

“你不是喜欢人家吗?主动一点啊。”

“哎,不是,老杨,我就是好奇一下而已,你把我当成什么了?”

杨学长推了我一把,“去吧去吧,我都懂。”

我回头,看着杨学长幸灾乐祸的表情,无奈地叹了口气。行吧,我最终还是妥协了,去和校友打个招呼又不是性骚扰。

我走到女生的身边,一时间却不知道该说什么了。女生注意到了我,她抬起头,眼神里尽是疑惑。我尴尬地笑了一下,说道:“同学,你是工大的吗?”

她点头,“是啊。请问你是?”

这个搭讪的开场简直不要太蠢,好在我们还是毫无障碍地聊了下去。妹子姓李,是我校研三的学姐,刚毕业,准备留校读博。她的专业和我竟然一模一样,都是航空宇航推进技术。不过,我们正好占据了这个词条的两边:我是航空,学姐则是宇航。李学姐告诉我,她研究生做的那些内容其实和讲座没什么关系,他们的导师也没要求学生来。她来这里听一听,完全是出于爱好,参会证都是征得导师同意之后要来的。

我晕,原来还真有喜欢脉冲爆震发动机的女生啊。于是我接着追问她,为什么会有这么奇怪的爱好。

“也不算爱好了,”李学姐回答,“算是一个业余时间的小科研吧,跟航空发动机本身也没什么关系。我在想,如果未来的宇宙飞船也可以装备脉冲爆震推进的引擎,会不会推进效率更高一些?”

我想了想,回答道:“我听说最近那种脉冲爆震推进的火箭好像也挺火的,大概也是一个意思吧。”

“不一样。一个是在大气层内飞行的火箭,一个是在太空中飞行的宇宙飞船,两个差别还是很大的……而且,我构想的概念和现在的脉冲爆震发动机还是有些差别的,所以,我来听一听主要是为了借鉴一下。”

我虽然懂一些航天方面的知识,但还是不能第一时间明白她的意思,“借鉴?”

“使用核动力作为能源的飞船,假设,配备一个专门的反应区,让核反应以类似于脉冲爆震的形式产生推动力,推进效率一定会远高于离子推进。这种核脉冲爆震,听着还是很有意思的吧。”

这段令人窒息的发言让我沉默了好一阵,核脉冲爆震?这东西我好像在科幻小说中见过,像这种基本没有科学依据的东西,又怎么会有实现的可能嘛。和科研相比,我感觉爱好这个词更加精确一些。我用开玩笑的口气问学姐,她是不是经常看科幻世界。

“我也不懂啊。所以我最近在补相关的知识,试着往这方面努力下试试,就算什么成果都没有也没损失嘛。”李学姐爽朗地答道,“对了,学弟,你是做脉冲爆震发动机的吧,可以加一下微信吗?以后有什么问题的话,想找你问问。”

正在全力思考“核爆震”是否可行的我敏锐地察觉到了后半句话,我连忙回答道:“啊,行。”心里暗爽,这么漂亮的学姐竟然主动加我微信,不知道以后还有没有机会去追啊。我打开微信,出示二维码,发现自己不知不觉已经和学姐聊了二十多分钟。杨学长估计还在我身后偷笑呢。我回过头,杨学长向我招了招手,他看戏一直都不嫌累的。

“以后有问题的话,微信联系吧,”我说道,“学姐,有人等我呢,我先走了。”

“嗯,拜拜。”


未完待续>>>


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