美国研究沙丘无果，中国却有新发明，钱学森长中国人志气的成果

　　#点亮好奇心#
　　航空发动机在制造工业中拥有非常重要的地位，哪怕只是发明了其中的一个零件，都有可能会成为非常重要的发明。上世纪80年代，中国就有一位叫做高歌的研究生，与他的团队一起发明了一种叫做《沙丘驻涡火焰稳定器》的专利，后来这项专利还获得了国家一等发明奖，我国著名的专家钱学森先生就评价这是长中国人志气的成果。这到底是怎么回事呢？且看下面的讲解。
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　　自从人类发明了飞机之后，拥有先进的动力系统，一直都会对飞机的性能起到决定性的作用。所以经过科学家们的努力，在1939年就试制成功了喷气发动机。在此之后，怎样提高发动机的推力就成为了世界各国研究的焦点。
　　其中有一个方法就是在喷气发动机的涡轮后面增加一个后燃烧室，由于发动机里面喷出来的废气还含有很多的氧气，如果可以利用好这些氧气，在后燃烧室里面再喷一些油料，就可以继续燃烧达到提高推力的效果，这种燃烧室通常就叫做加力燃烧室。
　　但是想要在加力燃烧室里面点火谈何容易？因为里面的风速非常高，通常都可以在150~200米每秒之间，在如此高的速度下，想要点火非常困难，哪怕点着火了，火焰的燃烧也非常不稳定，一吹就比较容易熄灭。
　　所以在1942年，德国人和苏联人就弄出了一个火焰稳定器，火焰稳定器的外形是V型槽，就像一个角铁一样。气流吹过V型槽之后就会形成一个迴流区，热气也会在这个迴流区内不断循环，就能点燃新流进来的气流，从而使火焰可以稳定的燃烧。
　　这个V型槽火焰稳定器，在此之后的40多年时间里面，都没有发生太大的变化，要不就是改一下V型槽的开口角度、大小，又或者是它的位置，对于提高发动机的性能并没有太大的帮助。
　　然而这个V型槽的缺点又是非常明显的，首先发动机的推力就会损失3%~6%，而且后燃烧室的燃烧效率也不高，一般只能达到75%~90%，有很大的一部分油料都随着尾气损失掉了。但更为致命的是，这种稳定器的燃烧效果还不是很好，火焰还有可能会熄灭。
　　飞机都是按照加了火焰稳定器之后的发动机的性能来设计的，后燃烧室的火焰熄灭之后，就很可能会使飞机由于推力不足，在高空中掉落下来，要是在掉落的过程中还是无法点着火，那对于飞行员来说就是相当危险了。
　　另外，在发动机里面也比较容易会产生＂卡门涡街＂现象，使气流会在 V型槽的后面形成旋涡，而且这还是一种高频的脱落，会影响到后燃烧室里面的气流振荡，就比较容易会导致后燃烧室熄火，甚至还有可能会爆炸，发出蹦……蹦……的声音，令人非常害怕，也有可能会造成机毁人亡的事故。所以，发明一个更好的火焰稳定器是势在必行。美国研究沙丘的经过
　　高歌在研究沙丘驻涡火焰稳定器的时候，就受到了沙丘的启发。高歌在大学毕业之后的1968年至1978年的十年间，一直都在青海的沙漠地区里面工作。
　　沙丘在沙漠中是非常常见的事物，但高歌却发现了一种非常奇特的现象，因为不管周围的风刮得有多大，这个沙丘还是保留着原有的月牙形状，他还想到要用流体力学的知识去分析沙丘为什么还保留着月牙的形状，也正是这个好奇心，促使他以后研究出沙丘驻涡火焰稳定器。
　　但其实想到要研究沙丘的，高歌并不是首位，美国人曾经就两次研究过＂沙丘＂的这种现象，但两次都没有太大的成果，这样研究更好的火焰稳定器的机会就白白地流失了。
　　在上个世纪60年代，就有人留意到美国校园里面的雪堆，经过大风吹过之后，也能形成一种特别稳定的雪堆，它的形状就像上面所提到的，风吹过沙丘形成月牙形状是一样的，所以它们的本质应该是一样的，只不过是以两种不同的物质表现出来。
　　美国的一位搞流体力学的教授就对这种现象产生了兴趣，但遗憾的是这位教授研究的方法不对，他直接拿一把刀就从雪堆的最高处切下一个垂直面，然后就研究这个剖面周围的曲线。并且还列出了一个数学方程式，但由于他研究方法的关系，这个数学方程式所涉及的是二维的。
　　在推出数学表达式之后，这位教授就不再研究三维的情况了，然后又利用这个二维剖面的曲线模拟了一下，在风洞和扩压器等其他很多地方都大约提高了10%的效率，这就已经使得这位教授很满意了。但由于他没有继续深入研究，更为本质的东西就没有掌握，雪堆稳定的秘密，他也没有解开。
　　后来，沙丘的现象还引起了美国宇航局的注意。在1977年，美国宇航局委派了一个非常著名的沙漠地质学家去研究沙丘，就是要他研究沙丘为什么会这么稳定，要是可以解开其中的秘密，就可以将这种原理应用在航空或者航天技术方面。
　　美国宇航局还是很有眼光的，但却没有选对人，因为这位沙漠地质学家测量了几十个沙丘，而且还写了一本厚厚的报告，结论是这种沙丘就是稳定的。至于这种沙丘为什么会稳定？很可能是与沙砾的粗细、比重和成分等因素有关，如果沙子太轻太细，就有可能会被风吹走；但如果沙子足够重，风就吹不走了。
　　这其实就是我们生活中的一种常识而已，根本就没有多大的作用，所以这样的报告令美国宇航局非常失望，而且还认为这种报告是没有什么用途的，甚至还有可能会后悔当初为什么要派人去研究沙丘。所以对那位沙漠地质学家研究出来的报告，以科研资料最低级别的形式公布出来，所以揭开沙丘呈现月牙形状的机会就留给了中国人。高歌研究的经过
　　高歌在结束了青海沙漠地区的工作之后，又继续考研，在1981年又考回了他的母校北航。当上研究生之后，他就与导师谈起了这个现象，导师明确地告诉他，一定要从旋涡的特性上来研究这个东西。
　　而且导师还告诫高歌，搞流体力学的人一是怕粘，二是怕旋。粘指的就是粘流，旋指的就是旋涡，所以大家在研究流体力学的时候，通常都希望避开这两种因素，但其实就把里面最困难而且又最本质的东西都避开了，所以导师告诉高歌一定要抓住粘流和旋涡来研究，尤其要把精力放在旋涡上。
　　有了导师的指导，高歌的研究方向基本上也明确了。其实可以采取两种方法来研究，其中一种就是搞实验，但搞实验非常需要花费时间，而且还需要大量的资金，在上个世纪80年代，国家还是很贫穷的，哪有这么多钱让一个研究生去搞大量的实验呢？
　　所以只剩下另外一种研究方法，那就是计算，通过计算来摸清流场的分布。但计算在当时也有很大的难度，对于一个二维的情况，如果是计算5000个网点，而且是利用百万次的计算机来模拟，只需要一两个小时就能计算出来了；如果是计算三维的情况，还是取5000个计算网点，百万次计算机的计算则需要5000多个小时，日夜不停地计算，也将近8个月的时间了。
　　但以当时的条件，计算机也不可能会专门留给你一两个人使用，更何况是要连续不断地使用8个月的时间，而且二维的情况在国外已经计算了十几年的时间，再重复别人的工作也是同样落后。
　　所以高歌只能另辟捷径，寻找其他的计算方法。高歌经过查阅了很多资料，同时又了解了很多的计算方法，白天在想，晚上在想，吃饭在想，甚至睡觉也在想，经过了两个多月的时间，终于整合出了一套属于自己的计算方法；前前后后，总共用了5个月左右的时间，高歌又将5000个计算网点弄成3000个计算网点来计算沙丘流场分布。
　　当时用于计算的计算机只有19万次，但利用高歌新的计算方法之后，只用了两个小时就将流场结构计算出来，与当时的国际水平相比，速度要快了上千倍。
　　然而计算出了沙丘的流场分布之后，还有很多的问题还没有解决，其中最需要解决的就是旋涡的稳定性，因为无法满足稳定性，我们还是很难将这一原则运用。当时又是经过了日日夜夜的思考，高歌在睡觉的时候想到了两个准则，所以当时他就在墙上画了一个＂二＂，就这样睡去了，直到醒来的时候看到墙上的二字，才想到两个准则。
　　其实这两个准则指的就是，旋涡的速度太快也不行，太慢也不行，有一个上限，也有一个下限，不管是太快还是太慢，都无法维持旋涡的稳定性，只有达到适中的旋转速度，才是我们需要的结果。通过这些新的理论制造出来的火焰稳定器，一实验就发现火焰燃烧非常稳定，性能可以比V型槽的扩大6~8倍。
　　后来高歌还就这一项目在学校做了一次报告，当时到场的有十几个人，但做完报告之后，其中只有一两个人是相信的，其他的人都不相信，后来再邀请他们去看实验，那些人才相信。沙丘驻涡火焰稳定器的优势
　　长期以来，工程师们通过改进V型槽火焰稳定器，性能要是可以提高10%~20%就已经非常不错了，但高歌弄出的这个沙丘驻涡火焰稳定器，一经实验它的性能就是V型槽火焰稳定器的6倍多。
　　沙丘驻涡火焰稳定器的阻力下降了，燃烧稳定的范围也扩大了，而且安装在整台发动机测试之后，发现旋涡振荡的幅值只有V型槽的1/6，基本上已经消除了这种旋涡振荡的现象，经过试飞之后，这些性能都比较满意。
　　之前国际上所使用的V型槽火焰稳定器，人们改进了几十年都没有很大的进步，因此也形成了阻力越大，它的稳定性就越好的共识，这基本上就是阻力与火焰燃烧稳定性的矛盾。但沙丘驻涡火焰稳定器的出现，不仅彻底消除了卡门涡街现象，还解决了阻力与稳定性的矛盾，同时也推翻了，国际上已有的认识。
　　高歌从1981年开始研究沙丘驻涡火焰稳定器，直到1984年才获得这个项目的专利，这个专利一出来之后，也是在1984年，还获得了国家科技进步一等奖。当时我国著名科学家钱学森就对这项成果作出了评价，认为它是一项＂为中国人争气的、很有价值的重要发明，是一个很大的技术突破，是在航空发动机领域里的重大建树。＂
　　高歌之所以可以成功，就是因为他抓住了旋涡三维的本质，与美国那位研究雪堆的流体力学教授相比，研究得比较全面，也比较透彻。当然这里面还有日日夜夜不停地思考，同时也利用了比较好的方法，例如高歌分析美国教授失败的原因，就使用了矛盾分析法，认为他并没有抓住主要矛盾，只不过是抓住了二维的次要矛盾，这样所得出的结果就差太远了。
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　　综上所述，火焰稳定器在喷气航空发动机里面也拥有很大的作用，本来美国人在这方面可以做出很大贡献的，但拥有两次机会都是因为没有抓住问题的本质，从而使这些机会白白地流走；而中国的高歌却抓住了问题的本质，同时也不畏艰难，所研究出来的火焰稳定器在性能上就要比V型槽的高出了6~8倍，还被我国著名的科学家钱学森认为是长中国人志气的发明。你是怎么看的呢？
　　文章参考了《沙丘驻涡火焰稳定器发明经过》。