——记南京理工大学瞬态物理国家重点实验室教授张辉

本刊记者  付 强

历史一次次在告诫我们这样一个道理——没有强大的国防，就不会有人民的安宁。若想建设国防，则必重兵器之发展。年轻的张辉正是兵器科研领域中的一员，他在这条路上已经行进了10余年。

亦兴趣 亦责任

2015年，张辉通过国家自然基金资助项目——“涡生摆线振荡的电磁优化控制”的研究，实现了以减振为目的的涡生摆线振荡的电磁优化控制，并揭示了其电磁控制机理。为解决涡诱导的结构振动大量工程问题(如航海，航空，建筑领域等), 提供了新的减振思路和优化方法，具有重要实用价值和学术意义。“这是对我博士期间研究的一个延续。”张辉说。

全国百篇优秀博士学位论文，每年仅有100个名额。2013年，张辉即是其中之一。他创造的电磁控制方法可消除运动体的尾迹，且减阻率可达20%?30%，这对改进诸如军舰、潜艇、水下炮弹等武器的运动性能极具价值。

这是张辉在博士时期交给南京理工大学的一份“答卷”。如今，南京理工大学的每一个角落，应该都留有张辉的足迹。从求学到工作，在这里，他已经走过了16个年头。硕士的时候，张辉选择了兵器科学与技术专业，“之所以做这个决定，一方面是想多为国家做一些贡献，另一方面，我对该领域的研究也很感兴趣。”他解释说。就这样，张辉一路走到了获得全国优博。

博士毕业后，张辉选择留在南京理工大学瞬态物理国家重点实验室工作。至今，他已经从博士后成长为教授。这期间，他在过去的积淀上开展了“涡生摆线振荡的电磁优化控制”项目的研究。

随着科学技术(流体力学、控制理论、数值方法和材料科学等)的发展和相关领域（航空和航海等）实际需求的增多，流动控制的研究已经成为流体力学的前沿和热点问题。“可以通过流动控制来减少阻力，让兵器发射的更远、打击的更准，而且这方面的技术应用在航空航天上，还可以让飞机和船运行的更加平稳。”张辉介绍说。

而在以减阻减振为目的的流动控制技术中，电磁力以其独到的优点受到了特别的关注。它不仅具有极强的应用价值还具有重要的科学意义。“我之所以将研究的焦点放在涡生摆线振荡(两个自由度)及其电磁控制，是因为与其它控制方法相比，它更为简便、灵活、实用。”张辉说，他带领团队从振荡机理和控制机理研究入手，优化了该控制方法。

涡生摆线振荡，是同时沿两个方向的振荡，即在沿流向受阻力的作用产生振荡，而沿垂直流向，受升力的作用产生振荡。以往对于涡生振荡的研究，大都仅沿着垂直流向的振荡开展，而对同时沿流向和垂直流向(两个自由度)的振荡研究的很少。“在这同时，来流也是影响振荡的一个因素，在剪切来流中，由于产生了背景涡的作用，破坏了流场的对称性，所以会改变圆柱的振荡状态。”针对于此种情况，张辉从实验和计算两方面研究，阐明了均匀来流和剪切来流两种情形下，流场、升阻力和位移的变化规律和内在联系，同时，还明确了电磁力作用下的流场变化特征和控制机理。

“做科研绝对不能把注意力放在功劳薄上，而要专注了研究本身，踏实下心来。”带着这种心态，张辉又对流动优化控制理论进行了研究。“流动控制的主要目的之一是减少能耗，因此，在实施流体控制时，需寻求最佳的控制量，以便用尽可能小的控制力度，得到最好的控制效果。”顺着这个思路，张辉找到了两个突破点。“一方面，由于圆柱表面的电磁激活板包覆的位置角度不同，产生的控制效果也不同，因此，需要对电磁力的空间分布进行优化。另一方面，由于控制过程中流场是变化的，为了提高控制效率，控制参数也应随流场的实时变化而变化。”

通过数学推导和数值计算相结合的方法，张辉从空间和时间上，对电磁力的作用区域(空间)和作用强度(实时)进行了优化，完成了反馈式流动控制。最终实现了以减振为目的涡生摆线振荡的电磁优化控制，并揭示了电磁力减振机理及其优化方法。

流动控制者

从事多年的科研工作，张辉对此有了一番自己的感悟。他认为做科研，最重要的就是能沉下心来，一步一个脚印往前走，只有把研究的相关方面都了解得透彻，才更有可能收获理想的成果。“其实这就像盲人摸象，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个大象的样子了。”

秉承着这种思想，张辉在2014年开展了全国优博作者专项资金项目——“不同来流条件下电磁力减阻减振的机理研究”，“现在该项目还处在在研阶段，它主要有三个研究点”，他说。

涡诱导的圆柱两自由度振动是该项目的第一个研究点。“圆柱在振荡过程中是非匀速运动，所以在动坐标中，需要对静止坐标系下的所有方程公式进行非惯性系下的变换，而圆柱的受力如升阻力等也需要进一步推导。”张辉认为在指数极坐标下，利用Alternative-Direction Implicit (ADI)和Fast Fourier Transform (FFT)方法可以分别求解涡量流函数形式下的动量方程和连续性方程，从而可得到下一个时刻的升阻力，而这将是突破该问题的关键。

湍流的转捩机制和层流化机制，一直是湍流研究的热点。但目前与之相关的分析还偏于粗略。张辉正在尝试采用湍流的直接模拟方法，揭示被控流场的结构和流动控制机理。流动优化控制理论是他的第三个关注点，“由于湍流的复杂性和随机性，任何微小的扰动都可以引起流场结构的显著变化，这种变化所导致的结果可能是预期的，也可能事与愿违。”张辉介绍说，在现有的流动优化控制理论的基础上，他正在寻求合适的优化控制律及其求解方法。

这些年来，因为表现突出，张辉入选了江苏省“六大人才高峰”计划，及“333高层次人才”计划。在未来，他计划开展国家自然科学基金资助项目“湍流边界层的电磁-沟槽复合控制与优化机理研究”，“之所以打算开展此方面研究，是因为对于航空、航海等相关领域，单一的控制方法已逐渐无法满足其实际需求了。所以为了扬长避短，在不同的时刻、位置等条件下需采用不同的复合方式。”张辉将以理论研究和数值计算为主，以实验验证为辅，展开以减阻为目的的复合激励板控制湍流边界层的研究。该项目的开展将有助于发现复合控制的耦合机理和优化途径，为进一步提高减阻效率和降低能耗提供新的思路。

身为一名师者，张辉总是提醒他的学生要保持一种“on the way”的状态，“所谓‘on the way’，就是在路上，意思就是不要躺在以往的成绩（功劳簿）上，那只能说明过去，要不断的向前走。只有不断的向前走，才能磨练出高水平的科研能力，创造有价值的成果。”在这同时，张辉还经常会带学生们去打羽毛球，调节身心。“保持一个良好状态，往往会在科研工作中事半功倍。”他说。