一直在路上

付強(qiáng)

歷史一次次在告誡我們這樣一個(gè)道理——沒有強(qiáng)大的國(guó)防，就不會(huì)有人民的安寧。若想建設(shè)國(guó)防，則必重兵器之發(fā)展。年輕的張輝正是兵器科研領(lǐng)域中的一員，他在這條路上已經(jīng)行進(jìn)了10余年。

亦興趣亦責(zé)任

2015年，張輝通過國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目——“渦生擺線振蕩的電磁優(yōu)化控制”的研究，實(shí)現(xiàn)了以減振為目的的渦生擺線振蕩的電磁優(yōu)化控制，并揭示了其電磁控制機(jī)理。為解決渦誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)大量工程問題（如航海，航空.建筑領(lǐng)域等），提供了新的減振思路和優(yōu)化方法，具有重要實(shí)用價(jià)值和學(xué)術(shù)意義。“這是對(duì)我博士期間研究的一個(gè)延續(xù)?！睆堓x說。

全國(guó)百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文，每年僅有100個(gè)名額。2013年，張輝即是其中之一。他創(chuàng)造的電磁控制方法可消除運(yùn)動(dòng)體的尾跡，且減阻率可達(dá)20%30%，這對(duì)改進(jìn)諸如軍艦、潛艇、水下炮彈等武器的運(yùn)動(dòng)性能極具價(jià)值。

這是張輝在博士時(shí)期交給南京理工大學(xué)的一份“答卷”。如今，

南京理工大學(xué)的每一個(gè)角落，應(yīng)該都留有張輝的足跡。從求學(xué)到工作，在這里，他已經(jīng)走過了16個(gè)年頭。碩士的時(shí)候，張輝選擇了兵器科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，“之所以做這個(gè)決定，一方面是想多為國(guó)家做一些貢獻(xiàn)，另一方面，我對(duì)該領(lǐng)域的研究也很感興趣。”他解釋說。就這樣，張輝一路走到了獲得全國(guó)優(yōu)博。

博士畢業(yè)后，張輝選擇留在南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工作。至今，他已經(jīng)從博士后成長(zhǎng)為教授。這期間，他在過去的積淀上開展了“渦生擺線振蕩的電磁優(yōu)化控制”項(xiàng)目的研究。

隨著科學(xué)技術(shù)（流體力學(xué)、控制理論、數(shù)值方法和材料科學(xué)等）的發(fā)展和相關(guān)領(lǐng)域（航空和航海等）實(shí)際需求的增多，流動(dòng)控制的研究已經(jīng)成為流體力學(xué)的前沿和熱點(diǎn)問題?！翱梢酝ㄟ^流動(dòng)控制來減少阻力，讓兵器發(fā)射的更遠(yuǎn)、打擊的更準(zhǔn)，而且這方面的技術(shù)應(yīng)用在航空航天上，還可以讓飛機(jī)和船運(yùn)行的更加平穩(wěn)。”張輝介紹說。

而在以減阻減振為目的的流動(dòng)控制技術(shù)中，電磁力以其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)受到了特別的關(guān)注。它不僅具有極強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值還具有重要的科學(xué)意義?！拔抑詫⒀芯康慕裹c(diǎn)放在渦生擺線振蕩（兩個(gè)自由度）及其電磁控制，是因?yàn)榕c其它控制方法相比，它更為簡(jiǎn)便、靈活、實(shí)用。”張輝說，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從振蕩機(jī)理和控制機(jī)理研究入手，優(yōu)化了該控制方法。

渦生擺線振蕩，是同時(shí)沿兩個(gè)方向的振蕩，即在沿流向受阻力的作用產(chǎn)生振蕩，而沿垂直流向，受升力的作用產(chǎn)生振蕩。以往對(duì)于渦生振蕩的研究，大都僅沿著垂直流向的振蕩開展，而對(duì)同時(shí)沿流向和垂直流向（兩個(gè)自由度）的振蕩研究的很少?！霸谶@同時(shí)，來流也是影響振蕩的一個(gè)因素，在剪切來流中，由于產(chǎn)生了背景渦的作用，破壞了流場(chǎng)的對(duì)稱性，所以會(huì)改變圓柱的振蕩狀態(tài)。”針對(duì)于此種情況，張輝從實(shí)驗(yàn)和計(jì)算兩方面研究，闡明了均勻來流和剪切來流兩種情形下，流場(chǎng)、升阻力和位移的變化規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系，同時(shí)，還明確了電磁力作用下的流場(chǎng)變化特征和控制機(jī)理。

“做科研絕對(duì)不能把注意力放在功勞簿上.而要專注了研究本身，踏實(shí)下心來?！睅е@種心態(tài)，張輝又對(duì)流動(dòng)優(yōu)化控制理論進(jìn)行了研究。“流動(dòng)控制的主要目的之一是減少能耗，因此，在實(shí)施流體控制時(shí)，需尋求最佳的控制量，以便用盡可能小的控制力度，得到最好的控制效果?！表樦@個(gè)思路，張輝找到了兩個(gè)突破點(diǎn)?！耙环矫?，由于圓柱表面的電磁激活板包覆的位置角度不同.產(chǎn)生的控制效果也不同，因此.需要對(duì)電磁力的空間分布進(jìn)行優(yōu)化。另一方面，由于控制過程中流場(chǎng)是變化的，為了提高控制效率，控制參數(shù)也應(yīng)隨流場(chǎng)的實(shí)時(shí)變化而變化。”

通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，張輝從空間和時(shí)間上，對(duì)電磁力的作用區(qū)域（空間）和作用強(qiáng)度（實(shí)時(shí)）進(jìn)行了優(yōu)化，完成了反饋式流動(dòng)控制。最終實(shí)現(xiàn)了以減振為目的渦生擺線振蕩的電磁優(yōu)化控制，并揭示了電磁力減振機(jī)理及其優(yōu)化方法。

流動(dòng)控制者

從事多年的科研工作，張輝對(duì)此有了一番自己的感悟。他認(rèn)為做科研，最重要的就是能沉下心來，一步一個(gè)腳印往前走，只有把研究的相關(guān)方面都了解得透徹，才更有可能收獲理想的成果?！捌鋵?shí)這就像盲人摸象，要是能把大象身上的部位都抹一遍，那么心中大概也就有一個(gè)大象的樣子了?！?/p>

秉承著這種思想，張輝在2014年開展了全國(guó)優(yōu)博作者專項(xiàng)資金項(xiàng)目——“不同來流條件下電磁力減阻減振的機(jī)理研究”，“現(xiàn)在該項(xiàng)目還處在在研階段，它主要有三個(gè)研究點(diǎn)”，他說。

渦誘導(dǎo)的圓柱兩自由度振動(dòng)是該項(xiàng)目的第一個(gè)研究點(diǎn)?！皥A柱在振蕩過程中是非勻速運(yùn)動(dòng)，所以在動(dòng)坐標(biāo)中，需要對(duì)靜止坐標(biāo)系下的所有方程公式進(jìn)行非慣性系下的變換，而圓柱的受力如升阻力等也需要進(jìn)一步推導(dǎo)?！睆堓x認(rèn)為在指數(shù)極坐標(biāo)下，利用Alternative-Direction Implicit（ADI）和Fast Fourier Transform（FFT）方法可以分別求解渦量流函數(shù)形式下的動(dòng)量方程和連續(xù)性方程，從而可得到下一個(gè)時(shí)刻的升阻力，而這將是突破該問題的關(guān)鍵。

湍流的轉(zhuǎn)捩機(jī)制和層流化機(jī)制，一直是湍流研究的熱點(diǎn)。但目前與之相關(guān)的分析還偏于粗略。張輝正在嘗試采用湍流的直接模擬方法，揭示被控流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和流動(dòng)控制機(jī)理。流動(dòng)優(yōu)化控制理論是他的第三個(gè)關(guān)注點(diǎn)，“由于湍流的復(fù)雜性和隨機(jī)性，任何微小的擾動(dòng)都可以引起流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的顯著變化，這種變化所導(dǎo)致的結(jié)果可能是預(yù)期的，也可能事與愿違?！睆堓x介紹說，在現(xiàn)有的流動(dòng)優(yōu)化控制理論的基礎(chǔ)上，他正在尋求合適的優(yōu)化控制律及其求解方法。

這些年來，因?yàn)楸憩F(xiàn)突出，張輝入選了江蘇省“六大人才高峰”計(jì)劃，及“333高層次人才”計(jì)劃。在未來，他計(jì)劃開展國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“湍流邊界層的電磁一溝槽復(fù)合控制與優(yōu)化機(jī)理研究”，“之所以打算開展此方面研究，是因?yàn)閷?duì)于航空、航海等相關(guān)領(lǐng)域，單一的控制方法已逐漸無法滿足其實(shí)際需求了。所以為了揚(yáng)長(zhǎng)避短，在不同的時(shí)刻、位置等條件下需采用不同的復(fù)合方式。”張輝將以理論研究和數(shù)值計(jì)算為主，以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為輔，展開以減阻為目的的復(fù)合激勵(lì)板控制湍流邊界層的研究。該項(xiàng)目的開展將有助于發(fā)現(xiàn)復(fù)合控制的耦合機(jī)理和優(yōu)化途徑，為進(jìn)一步提高減阻效率和降低能耗提供新的思路。

身為一名師者，張輝總是提醒他的學(xué)生要保持一種“on the way”的狀態(tài)，“所謂‘on the way，就是在路上，意思就是不要躺在以往的成績(jī)（功勞簿）上，那只能說明過去，要不斷的向前走。只有不斷的向前走，才能磨練出高水平的科研能力，創(chuàng)造有價(jià)值的成果?！痹谶@同時(shí)，張輝還經(jīng)常會(huì)帶學(xué)生們?nèi)ゴ蛴鹈?，調(diào)節(jié)身心?！氨３忠粋€(gè)良好狀態(tài)，往往會(huì)在科研工作中事半功倍。”他說。