——记中国计量学院流体检测与仿真研究所研究员邵传平
本刊记者  张春壮    

　　 20世纪以来，流体力学已经发展成为基础科学体系的一部分，同时又在工业、农业、交通运输、天文学、地学、生物学、医学等领域得到了广泛应用。
　　 千百年来，流体力学以其广泛的适用性形成了独有的科技魅力，随着时代的不断发展，科技的不断进步，在一代又一代流体力学研究者的努力下，流体力学的世界也越发精彩。

执著之树必结黄金之果

　　 邵传平，中国计量学院流体检测与仿真研究所研究员，多年来，由他负责的课题组主要从事钝体旋涡脱落流动控制研究。
　　 所谓钝体旋涡脱落流动是指：当流体以一定速度流过固定的钝物体，如风掠过桥梁、电视塔、电厂冷却塔、高楼等等固体时，会在物体两侧交替地产生旋涡脱落，旋涡的交替脱落使物体表面的流体压力发生周期性变化，从而产生作用于物体的交变力。当流体动力的变化频率与物体结构的固有频率接近时，会发生共振现象，使结构遭到破坏，除此之外，旋涡脱落还会增大流体阻力，产生噪音。
　　 那么，该如何消减旋涡脱落造成的负面影响呢？这既是海洋、土木、水利、电力、航空等领域关注的问题，也是邵传平及其课题组一直致力于研究的对象。
　　 自1998年以来，邵传平课题组先后主持国家自然科学基金项目“法拉第波与钝体尾流稳定性研究”，“涡激振动控制与减阻减振”、“尾流控制机理与方法研究”，“流向振荡柱体尾流不稳定性的控制”等的研究，取得了一连串的科研成果。
　　 在静止钝体旋涡脱落抑制方面，自1930年代以来，人们针对不同的工程问题，提出了不少控制方法，但是这些方法都有局限性，应用范围小。在1990年，Strykowski-Sreenivasan提出在二维钝体下游一定位置放置一个很小的圆柱，可以抑制钝体后面的旋涡脱落，有很好的减阻和减振效果。虽然在当时，这个四两拨千斤的方法在业界掀起了波澜，但是很快，就有研究表明这种方法只有在很低雷诺数(低于一百)流动情况下有效，在工程中缺少应用价值。
　　 邵传平课题组的研究有望弥补这一不足，他们经过反复研究，选择用小窄条作为控制件，取代小圆柱，对圆柱及方柱、板（各种攻角）等钝体的旋涡脱落进行抑制实验，证明在雷诺数高至十万时对所有这些钝体都有很好的抑制效果，并对每种钝体流动情况找出了有效抑制的控制件位置区域，以便于工程应用。
　　 在强迫振荡柱体绕流的旋涡脱落抑制方面，邵传平课题组在国内外尚无研究先例的情况下，另辟蹊径，分别采用窄条方法、尾部喷射方法和隔离板方法对高雷诺数流向振动柱体尾流进行抑制研究，取得重要进展。研究表明，尾部喷射对非锁频和每种锁频旋涡都有抑制效果，找出了每种旋涡的有效喷射速度范围；窄条对非锁频和两种锁频旋涡具有抑制效果，最高可减阻30%，减小脉动升力60%以上，找出了各种旋涡脱落下窄条的有效位置区；而隔离板方法对非锁频和一种锁频旋涡有效果，找出了隔离板的有效位置区。
　　 旋涡抑制机理与旋涡脱落生成理论密切相关。国际上关于静止钝体旋涡脱落的生成，经历了背压吸引论，到剪切层相互作用论，再到绝对不稳定性和尾流整体失稳论，正从猜测到理论逐步深化；而关于振动柱体旋涡脱落的产生机制，目前还处于探索阶段。
　　 对此，邵传平认为，振荡柱体绕流存在两种旋涡脱落产生机制，除了上述的绝对不稳定性机制外，还存在信号放大机制。他们研究了高雷诺数湍流尾流中涡粘性对扰动波信号的影响，定义了扰动波的涡粘系数，并用实验数据分别求出了未加控制和施加控制以后的涡粘系数在振动柱体湍流尾流中的分布情况。将涡粘系数代入扰动波发展方程（稳定性方程）并求解，得到的结果是：未加控制时扰动放大的频率区域很宽，产生旋涡脱落的机会很大；而控制以后扰动放大的频率区域很窄，产生旋涡脱落的机会很小，从而明确了振动柱体旋涡脱落的产生和抑制机理。
　　 上述成果发表在AIAA Journal，Journal of Fluids and Structures, Journal of Fluids Engineering, Journal of Visualization, Acta Mechanica Sinica, 及《中国科学》，《力学学报》，《力学进展》等杂志上，得到国内外同行的认可。

百尺竿头须进步
十方世界是全身

　　 以往取得的成绩非但没有使邵传平就此功成身退，这些成果反倒使他对自己的专业产生了更加浓厚的兴趣，甚至为了研究工作不受影响，2008年，他离开了中科院力学所，进入了具有新建低速风洞、低速水洞和较好配套实验仪器的的中国计量学院工作，主要从事流动控制与植物流体力学研究。最近，邵传平开展了植物空气动力学仿生方面的研究，主持国家自然科学基金项目“树叶气动特性研究”。
　　 近年来，人们越来越意识到风灾是对树木危害最大的非人为因素，远大于森林火灾造成的损失，因此树木风灾以及树木空气动力学方面的研究在国际上越来越受到重视。为此，邵传平把握时代脉搏，申请了国家自然科学基金面上项目“树叶气动特性研究”，希望通过研究可以更加的深入的了解多种常见树叶气动特性（包括形状重构）及影响参数，寻找树叶气动失稳（突然变形、振动）的临界条件及产生原因。另一方面，也希望可以了解人造树叶的气动特性，探讨树叶气动仿生的条件。
　　 拿到这一课题，邵传平靠的不是运气。翻开他的履历，硕士期间，他的研究方向为水动力学，从事具有自由表面的粘性绕流研究；博士期间的研究方向为风工程，在导师孙天风教授指导下，从事多钝体压力分布，尾流场测量以及流动显示研究；博士后期间他从事海洋工程与流动稳定性实验研究；在中科院力学所任副研究员期间，他从事生物流体力学、微重力流体力学，以及流动控制等方面的研究工作，先后完成3个国家自然科学基金面上项目：“法拉第波及钝体尾流不稳定性的实验与数值模拟”，“涡致振动控制方法研究”，“尾流控制机理与减阻减振”；2008年，进入中国计量学院后，他主要从事流动控制与植物流体力学研究,主持在研国家自然科学基金项目“流向振荡柱体尾流不稳定性的控制”。
　　 这些经历，使他对这一项目研究所需要的风洞实验设备非常熟悉，积累了丰富的流体实验研究经验。项目组自2009年以来，已先期开展了树叶气动特性的风洞实验研究，取得一些新的发现，为本项目的顺利进行打下了良好基础，同时为本项目研究目标指定了方向。
　　 在硬件设施方面，邵传平所在的中国计量学院全力支持，除标配的风洞实验设备如热线风速仪、PIV、激光多普勒测速仪,电子压力扫描阀之外，学院在今年还购买了数字图像相关位移测量仪，定做了一台测量树枝和树叶瞬时升阻力的六分力动态天平，为流动控制实验和树叶气动特性测试提供设备。同时，课题组还与一家公司合作研制了烟线发生器、氢气炮发生器，分别用于风洞和水洞的流动显示实验。
　　 在数值模拟方面，中国计量学院流体研究所已订购最新型的曙光工作站，能够满足流固耦合计算需要。
　　 一切准备就绪，科研活动也得以顺利展开。
　　 在研究中，邵传平课题组通过对悬铃木、鹅掌楸、玉兰、杨树等树叶的风洞实验，得到了树叶从稳态变形到振动，再次稳态，到再次振动等过程及其临界雷诺数。研究了树叶为了减少所受气动力和减少振动，会根据风速的大小自动将其形状变为鸟翼形和堆形的现象，并研究了形状改变过程中的暂时振动情况。该项研究在仿生学方面具有积极意义, 在植物气动力学方面具有开拓性意义。
　　 此刻，邵传平的研究仍在继续。