斩尽荆棘路自开――记过增元和他的《热流体学》

 

    一位黄皮肤黑眼睛的中年学者在大会报告台上操着流利的英语作着主旨学术报告。报告的题目是《对流问题中的热阻力和热绕流》。聚光灯下的他显得那么沉着、自信而又神采飞扬。当报告的最后一句“Thank you for your attention” 语音刚落，大厅里便爆发出一阵热烈的掌声。休息期间，许多来自不同国家的科学家向他走来，有的赞扬他的报告“理论上很有创造性”，有的肯定他的理论“对工程应用会产生较可观的正面影响”，有的则预言他提出来的新概念和新思想“发展领域很广，潜力很大”。这是发生在1986年美国旧金山第八届国际传热大会上的一幕。这位学者就是现为中国科学院院士的过增元教授。当时他刚满50岁。每当回忆起当年那一刻，过增元教授至今仍是心潮汹涌。要知道四年一次的国际传热大会是世界上最具权威性的传热学界盛会，他面对的是来自五大洲的传热学家，既有造诣深厚的学术界泰斗，又有思维敏捷的年轻新秀。更令他心潮难平的是，那毕竟是中国学者破天荒第一次在国际传热大会上作特邀主旨报告。民族的责任感和自豪感像火一样充斥着他的胸膛。四年以后，在以色列的特拉维夫召开的第九届国际传热大会上，过增元再次应邀为大会作题为《对流问题中的热驱动和热稳定性》的主旨报告。一个学者连续两届在世界权威学术盛会上作特邀主旨报告，在国际上也是很少有的，更何况是位中国学者。这不仅是过增元的光荣，更是中华民族的骄傲。在这两次特邀报告中，过增元综述了热流体学的主要内容，它向各国科学家展示中国学者成就的同时，也使热流体学这一新的研究方向获得了各国科学界的检验和肯定。在这两次特邀报告前后，过增元还应邀在北美和西欧的18 所著名大学、国内的10所大学或研究所，就热流体学的主要内容作了系列讲座或报告。

 

    热流体学对大多数人来说，一定是一个陌生而又奇怪的名字。人们或许听说过热力学、传热学和流体力学，但很少有人知道热流体学为何物。因为这是一门正在兴起的学科分支，是涉及上述三门学科的交叉科学。人们都有这样的经验：在冬日室外无风的日子里，皮肤裸露的部分，如脸颊和双手并不感到特别寒冷，一阵风吹来，就使人顿感阵阵寒意。空气还是那个温度，但流动与不流动，它传递热量的效果就不大一样。用传热学界的行话来说，就是流动增强了传热。在传热学界有成千上万的人研究流动对传热的影响，但却只有极少数人想过热量的传递也会对流动产生影响。苏联著名力学家阿勃拉莫维奇和夏皮罗是这极少数人之一，他们发现对通道中的气流加热会引起压力降低，甚至使得流量显著减少。前者称它为热阻力，后者称它为热雍塞。可惜的是，他们就此嘎然而止，不再继续往前探索。过增元的导师王补宣院士也是这少数人之一。有一次，他与过增元讨论问题时提到：既然流动对传热过程有重大影响，反过来，传热对流动过程也一定会有反作用。说者无意，听者有心。这句话让过增元怦然心动。它使当时正身陷难题的过增元顿时见到了一线曙光。过增元当时正涉足电弧等离子体技术。当时国内有一股开发电弧等离子体技术的热潮。其中包括等离子体喷涂、等离子体切割和等离子体焊接，也就是利用电弧放电产生高温，将粉末材料熔化并喷涂到金属表面，造成特殊的性能。或者利用经电弧加热后的高温气体去切开金属材料，或将它们焊接起来。过增元碰到的难题是：随冷气流吹向电弧的粉末颗粒很少能进入弧柱核心，大部分绕过弧柱而走，就像绕过一个固体圆柱一样，使得喷涂的效率很低。过增元还留意到在相关技术领域?D气吹高压开关上，当开关拉开，电弧燃起的一刹那，气流很难吹过燃烧着电弧的通道，影响了灭弧效果。这两个事实不正是加热对流动强烈影响的例子吗？一片科学上未开垦的处女地展现在过增元的面前。他意识到这是一个施展才干与抱负的良好机遇。

 

    然而，“热过程对流动过程影响”这一片科学处女地是一片长满荆棘的崎岖荒原，前辈科学大师很少有人涉足，当时国际知名学者也无人问津，在国内更找不到同行者。要作一名拓荒的先驱者，非得有大智大勇的素质不可。然而这一切没有阻挡住过增元的决心，他记得鲁迅先生的名言：“世上本没有路，走的人多了就自然成了路”，也更知道“万里长征始于足下”的道理。他决定先从研究“热阻力”开始，一步一步地往前探索前进。

 

    “机遇总是偏爱那些有准备的头脑”。过增元抓住“热对流动的影响”来进行研究并取得重要成果，看似偶然实则不然。他那在科学探索上表现出来的大智大勇来源于他胸腔中涌动着的强烈民族自信与自豪。千百年来中华民族历经各种磨难，内忧外患不断而始终不垮，并最终屹立于世界民族之林，正是因为她的优秀儿女身上有着这种永不泯灭的民族自信与自豪。故事还得追溯到1979年，那时科学的春天尚充满寒意，改革开放之花刚含苞待放。过增元作为二次大战后西德洪堡基金会在我国选拔的第一批到洪堡访问学者，赴德国斯图加特大学进行研究工作。他的导师梅克教授是国际知名的等离子体科技专家。奇怪的是，从首次见面之后，就再也见不到这位导师，一连三个月多少次求见都被各种理由婉言拒绝。既不指定研究方向，更不给确定研究课题。这无异于暗示过增元：“中国来的年轻讲师，我不指望你搞什么研究，你自己听点课，看点书，学多学少按时回国去吧！”但这种坐冷板凳的滋味非但没能削蚀这位年轻学者的意志，反而更激发了他的奋进斗志。他明白，如果不给导师一个大大的惊喜，恐怕导师再也想不起他的存在。他潜心查阅研究所的历年科技文献和已毕业学生的十几本博士论文，努力寻找突破口。他发现某个博士论文以及后来他们发表的论文中有关非平衡电弧等离子体的计算方法存在原则性错误。经过三个月的努力，凭借自己雄厚的理论基础和专业知识，他终于发展了一种非平衡电弧等离子体的新的计算方法。他带着他的成果约见了梅克教授。年逾花甲的教授开始用异样的目光注视着过增元这位来自中国的学者，要权威承认自己的错误是极难的，争论持续了一个多小时，最后他居然还拿起笔来仔细推演过增元得到的公式，等到确信无疑之后，他对过增元说了三句话“我错了，你对了！”第二句话：“中国人很有进取心” 第三句话：“我送你一个礼物，一张来回机票，让你与家人团聚。”从此开始，他给过增元安排了研究课题和实验条件。

 

    慕尼黑工业大学研究所的墙上悬挂着近代知名科学家的画像和简单的生平介绍，有盖·吕萨克和焦耳，也有近代流体力学与传热学大师葛拉晓夫、普朗特与努谢尔等人。每次从这些画像面前走过的时候，过增元心中除了崇敬之情以外更有着另一种激情。他决不相信在科学的殿堂里永远没有炎黄子孙的席位。他坚信中国人的头脑不但能创造出灿烂的古代文明，也一定能对现代科学作出应有的贡献。他的心中似乎有一个声音在呐喊：给我一个支点，我也能撬起整个地球。

 

    学成回国的过增元成为80年代国内电弧等离子体领域的有一定知名度的专家。他出版了等离子体方面的专著，组织了电弧等离子体科学学习班，当选为等离子体学会的副主席，主持召开了第二届全国等离子体科学与技术交流会。很快，他成为清华大学最年轻的教授之一。可以说，在低温等离子体这个领域里，呈现在过增元面前的是一条坦途，阳光明媚、前途无量。但就在这个春风得意的日子里，他却离开了平坦大道，基于对科学的执着转向开创“热过程对流动过程影响规律的研究”这一片长满荆棘的处女地。1986年，关于热阻力的研究获得了重大进展。他重新科学的给出了热阻力定义，阐明了产生热阻力的机理，用无因次加热数来定量描述加热的强度，提出了像计算粘性阻力那样方便的计算热阻力的公式。这一成果很快获得了成功的应用：在氢冷发电机冷却通道的设计计算中和空冷散热器阻力计算中都发现按原有计算法得到的结果比实验值明显偏小，而考虑了热阻力之后，计算值与实验值符合得很好。在研究“热阻力”的几乎同时，过增元又开展了对热绕流的研究。他不仅阐明了这个现象与发生的机制，而且用“虚质量源”、“热偶极子”、“热斥冷吸原理”等一系列新概念来准确地描述和计算这一现象。南京航空航天大学的老师在研究飞机发动机尾喷管中高温烟气的流动规律时，一直对其中的回流现象难以理解。在听过增元的讲课和堂上讨论过程中，他们受到热绕流概念的启发豁然开朗，找到了合理的解释。突扩燃烧器回流区的计算值一直比实验值偏大不少，运用了热绕流理论之后，计算值与实验值的符合程度也大为改善。

 

    读者一定对上述这些专业术语生厌，笔者也不愿讨嫌，但为了行文的完整性，最后略为补充几句：经过过增元的努力，又提出了热驱动、热稳定性、热优化等一系列科学概念，从各个角度描述了热对流动影响的方方面面。1992年，《热流体学》专著的出版，标志着学科分支框架的完成。1994年发表于国际刊物《传热评论》，1995年科技成果《热流体工程中的热阻力、热绕流、热驱动和热稳定性》获国家自然科学奖，标志着《热流体学》理论成果获得了国内学术界的肯定。1997年，过增元当选为中国科学院院士。现任国际传热传质中心常务理事，美国机械工程师协会(ASME)Fellow,中国工程热物理学会副理事长，传热传质学会主任等。

 

胡桅林撰稿 2000年9月