【动力情怀】沙丘驻涡火焰稳定器的发明过程

1984年，北航高歌教授发明了“沙丘驻涡火焰稳定器”，获国家发明一等奖，钱学森同志称之为“一项长中国人志气的重要发明”。

喷气发动机是1939年试制成功的。为了增加发动机的推力，就在喷气发动机的后面加了一个燃烧室。但高空风速很高，后燃烧室内火焰不稳定，极易熄灭。1942年德国人与苏联人搞成了一种V形火焰稳定器。尽管它对火焰有一定的稳定作用，但却阻力大、稳定性差，还容易产生发动机旋涡脱落。以后的改进只是着眼于v形槽的开口角度，开口的多少，前后位置等，都没有决定性的突破。

北京航空航天大学博士研究生、年仅33岁的高歌，在他的导师宁?教授的指导帮助下，发明了沙丘驻涡火焰稳定器。解决了喷气发动机问世40多年来燃烧火焰不稳定这个技术关键问题。从理论和实践上填补了国际航空界长期未能解决的空白。在国际上居领先地位。被评价为这是一个很大的技术突破，是一个很有价值的、重大的发明，因此获得了1984年“国家一等发明奖”。

这项发明的过程，高歌本人曾有过生动，具体的描述。发明沙丘驻涡火焰稳定器的过程，首先是受到沙丘的启示。在沙漠中，有一种新月型沙丘，它有一个特点：不管风怎样吹，沙丘都不变形，仍然保持新月形状。而其他形状的沙丘都可以叫风吹跑。他看到这种现象之后，就觉得很有意思。当时就想，它之所以这样稳定，一定是气流后面的流场绕过沙丘后形成的旋涡特别的稳定。因为自然界的现象必然是最合理的，它们都遵循物理学上的最小功原理，天然合理。如果把它的原理搞清楚了，就可以利用它了。

在六十年代，有人在美国大学的校园中发现，风吹过雪地之后，也能形成一种特别稳定的雪堆，其形状和新月型沙丘一样。美国一个搞流体力学的教授对这个问题发牛了兴趣。他设计了一种方案，经模拟证实能提高效率10%，但由于这位教授没有抓住三维这一本质特点，因而收益不大。后来，沙丘这种现象引起美国宇航局的重视，1977年他们委派美国一个非常著名的沙漠地质学家，帮助研究为什么这种沙丘会如此稳定，以便运用到航空或航天技术上。这个地质学家黾量了几十个沙丘的形状，写了一本很厚的报告，指出这种沙丘就是稳定的，其稳定的原因，是与沙粒的粗细、比重、成分等有关。美国宇航局看了这篇报告后无可奈何，认为这种报告没什么用途。显然，这位地质学家也没有抓住问题的本质。

高歌来到北航当研究生后，和宁?教授谈论这种现象。宁?教授说，一定要从旋涡的特性上来研究这个东西。搞流体力学的人，一怕粘、二怕旋。所以大家在研究时，都避免研究这个东西，偏爱研究无粘流，这样就把最困难的题目避开了。

要解决这项难题，首先要过计算关。沙丘是一个三维体，所以就要想法计算出三维物体后面的流场。当时，国际上有关计算三维问题的文章是很少的，而二维问题则早在十几年前就计算出来了。三维问题之所以计算不出来，是因为计算方法非常费时间。对于一个二维问题，如果把所要计算的整个流场均分为五千个网点来计算，当时在百万次的计算机上只需一、两个小时就能算出。对于一个三维问题，也将流场分为五千个点来计算，根据当时美国马里兰州的一位教授来中国讲学时说的，在一个百万次的计算机上，需要汁算五千个小时。这实际上是没法计算的，因为一台计算机不可能为你二个人连续不断开八个月。所以对三维问题，只能算七、八百点，太多了计算机也难以算出。要对沙丘进行分析，就必须把它的三维流场摸清楚。不计算，也可以用实验方法，但既费时间又费资金，最好还是计算出来，高歌在宁?教授的指导下，开始探索一种新的计算方法。

算粘流要解椭园形偏微分方程。他当时看了几十种计算方法，把每种方法的优点都挑出来，缺点也列出来，反复琢磨，搞了两个多月，对其中的三、四种方法特别喜欢。这种喜欢是一种感觉上的喜欢，为什么喜欢也说不出来，总之从感情上觉得倾向于这几种方法。然后他就对这三、四种方法反复琢磨、反复想，总想把它们的优点都捏在一起，搞出一种新方法来。在那段时间里，他白天黑夜都在思考这个问题，可总是合不起来。天天想、白天想、晚上想吃饭也想、晚上作梦也想。有一天晚上，快熄灯了，他去刷牙，刷着刷着，突然好象脑子里一闪念。……一个概念……他把牙缸牙刷扔在水池里，赶快跑进屋把它们记下来，没几分钟，就把三、四种方法的优点合在一起了。想了两个多月，把它合在一起只用了几分钟！过了几天，编成程序就算，然后做了一些改进，这方法就通了。大概前后用了四、五个月，搞出一种三维计算方法，按照这种方法，他把沙丘空间流场分成三千个点，在一台十九万次的计算机上用两个小时就把它的流场结构算出来了。这个速度与当时国际水平相比快了上千倍。

算出流场之后，对沙丘后面这个流场进行分析便知道了它的基本特点。沙丘后面的旋涡如此稳定的原因有两个，实际上已经是自然界或人类社会早就利用的了。一个是龙卷风的原理，还有一个就是沙丘后面这个旋涡形成了一个拱桥结构，前面宽，后面窄，一个个的旋涡挤在一起，就特别坚固，想脱落也脱落不下去。拱形桥之所以很结实，其原因人们早就知道了，但是没有人想到用拱桥原理来说明稳定问题。旋涡稳定问题解决之后，他们就做实验，结果发现，这种沙丘型稳定器的阻力非常之小，只有原来V型槽阻力的四分之一到五分之一，减了百分之七、八十的阻力。所以发动机的推力损失一下子就减少了很多。

计算这一关是过了，但计算是一种近似模拟方法，只能得出一个近似解来，从理论上并没有完满地解释出它为什么稳定，所以还必须进行理论上的分析。这方面的资料，国际上的参考文献非常少，大家都不大愿意搞。从1870年到1960年近一百年，推导稳定性的理论方法没有多大差别。他对这些方法进行了仔细分析后，觉得过去的方法在基本的物理假设和概念上，在出发点上都过于简化了。把粘性、旋涡的旋转特性甩了出去。起码应该把离心力和哥氏力这两个在旋转流场中存在的力加进去。他将这两项加在方程中，重新推导了一遍，搞出来一个比别人的多几项的稍微复杂一些的结果，好象也没有什么突出的地方。他反复想，为什么将主要因素都包括进去之后，所得到的结果还同别人的差不多呢？思考了好长时间，后来有一天晚上，睡着了，他做梦，梦见有人对他说，你推的这个稳定性界限虽然比别人的复杂，但也只有一个界限，实际上什么事情都有两个极端，就好象你吃多了要撑死，吃少了要饿死，你怎么能只有一个稳定准则呢？他一下子就惊醒了，赶忙在墙上用手抠了两条道，那意思就说应该有两个准则。紧接着他又呼呼也睡着了。第二天早晨他起来想，昨天晚上干什么来着？看看墙上划了个=，他想起来了！有两个准则。事物有一个上限，也有一个下限，不可能只有一个界限，任何事物都有两个极端，这是一个哲学上的普遍规律。他整整推导了一天，最后发现如果应用广义的热力学第二定律，就可以找到另外一个准则，就是一个上限。过去所有的旋涡准则都是下限，原来他推导出来的也只是下限，经这样努力了一整天，又推导出了一个上限。然后就反复检验，天天都进行推导，草稿纸也不知摞了多厚。过了半个月之后，他发现那天推导出来的新准则全错了。又经过半个多月的反复推敲，终于把一个正确的准则找出来了。

结果发现旋涡的稳定确实有一个上限，有一个下限，旋涡转得太慢了，不稳定，转得太快了，也不稳定。经过计算——实验的反复过程后，对它的流体力学特性很清楚了。后来进行火焰实验，发现这种火焰稳定器非常稳定，比过去的V型槽稳定器扩大稳定性六到八倍。过去搞了几十年，能扩大10%、20%的稳定性就不错了，但新的稳定器一开始做实验得到的稳定曲线比V型槽的扩多六倍多。他自己都不敢相信这种实验结果。在第一次给学校搞这个专业的老师们报告时，到场的大概有十几个人，其中只有一两个人相信是真的，大部分人都不相信，认为不太可能，后来请大家去看实验，看了实验后大家才相信了。

这样，经过从1981年开始做实验，1982年做高空模拟实验，1982年到1983年初做发动机的整机实验，1984年进行高空试飞最后定型开始实际应用，经过四年多时问，终于完成了这项钱学森同志称之为“一项长中国人志气的重要发明”。