沙丘驻涡火焰稳定器的思考
关于沙丘驻涡火焰稳定器的思考
班号：1002201 姓名：王雪纯 学号：1100200625
在每节空气动力学的课堂上，老师都会普及一些相关的科普知识。记得有一次，老师讲到了雪檐和沙丘的驻涡现象，问大家是否见过。我细细回想了下我之前去过的内蒙的响沙湾，那是一片被开发成旅游景点的沙漠，确实有很多处沙丘驻涡现象。虽然风很大，沙丘表面会有细细的沙飘飘洒洒，但是新月形状的沙丘却不会像其它形状的沙丘随风变形，而是始终保持自己固有的形状不变。这个沙丘驻涡现象引起了我的兴趣，但在课本上简单记下几笔后，就把对此的深入思考搁置到了一边。
附图：
雪檐
X
沙丘
在刚刚结束不久的实习中，我们全班到沈阳某个飞机发动机厂学习参观，更细致地了解到关于喷气发动机的相关知识，其中一位为我们讲解的老教授正是著名的高歌教授的大学同班同学，这让我想起了高歌教授发明的应用于喷气发动机的沙丘驻涡火焰稳定器，以及在空气动力学课堂上老师讲到的沙丘驻涡现象。于是，我决定对此进行进一步的了解与思考。
沙丘驻涡稳定器的发明过程
通过查找资料，我了解到了一些关于高歌教授的背景，以及他的沙丘驻涡火焰稳定器的发明过程。
高歌教授大学毕业后，从1968年一直到1978年，都在青海沙漠地区工作。在沙漠里有新月形的沙丘，这是司空见惯的事情。但这种沙丘有一个很奇怪的特性，无论风怎么大，这个沙丘依然保持着它原有的月牙形状。为什么它维持不变，就引起了他的兴趣。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。
高歌来到北航当研究生后，和他的教授谈论这种现象。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，就必须把它搀流场摸清楚。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，高歌在宁幌教授的指导下，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，后来有一天晚卜，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。经过计算一一实验的反复过程后，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，完成了这项重大技术发明。
沙丘驻涡火焰稳定器的性能
这便是中国自主研制的沙丘驻涡火焰稳定器，不过难以从各类资源上找到这种稳定器的照片，无法与大家分享。大致是把原来的V字形的卡门涡街火焰稳定器改成有弧度的月牙形，由相互对称的形状类似于沙漠中天然形成的月牙形沙丘的二个曲面上下拼合组成。由多个稳定器可构成稳定器组合件。本发明比目前使用的Ｖ型槽稳定器的稳定性好、阻力小、燃烧效率高、不易振荡燃烧。成果既适用于航空发动机，又适用于工业燃油锅炉和船舶等。使用证明，产品提高了燃烧效率与火焰稳定性，降低了流体阻力和振荡损失，推广后大幅度提高了航空发动机的合格率，使中国在这一技术领域进入世界前沿。该项成果的独创性与实用性得到权威专家的高度评价。
沙丘驻涡火焰稳定器的应用及关于它的猜测
但是，据了解，性能更为优越的沙丘驻涡火焰稳定器并没有广泛应用于现在的发动机，在新的太行系列中，加力燃烧室继续使用老式的V型槽稳定器，这是为什么呢？
据我自己的猜测，以及在实习过程中，在航空发动机厂学到的知识为辅助，我认为，沙丘驻涡火焰稳定器的结构要比V型槽稳定器的结构复杂。相较于国外，国内的加工工艺水平还比较落后，要实现我们自主研发的稳定器的批量生产还比较困难，并且有可能收益会赶不上付出。同时，尽管新型稳定器在加力燃烧室内的效果要比V型的好，但是随着发动机的更新换代，发动机中的工作温度在不断提升，要使沙丘驻涡稳定器适应目前较高的工作温度，在现有的工艺处理水平上，实现起来还有较大的困难。在工厂中，我了解到材料的耐热性的处理，在一定程度上制约了我国发动机的发展，所以，热处理工艺在这类的军工制造方面起着十分重要的作用，我们必须加快发展的步伐。但是，目前我国的现状决定，航空发动机的研究发展重点还是在核心机上，其他零部件可以暂时依附于国外的技术。因此，要想全面提升我国的航空发动机水平，还有很长的路要走。
以上仅为我的猜测，欢迎批评指正。