近日，我國開展的大當量水下爆炸試驗取得圓滿成功，哈爾濱工程大學船舶工程學院張阿漫教授創立的氣泡統一方程作為本次試驗的核心理論再次得到驗證。
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為了用一個統一的方程描繪自然界氣泡動力學的基本規律，張阿漫從研究生階段開始研究，孜孜探尋18個春秋，終于推導出了氣泡動力學統一方程。這個簡潔濃縮的數學方程，解決了不同源、不同尺度和不同環境下的空化氣泡、水下爆炸氣泡、微納氣泡等氣泡動力學特性的理論預測難題。
18年前，他立志解開氣泡理論之謎
氣泡在自然界廣泛存在，具有力量強大、形態變幻莫測等奇妙特點，在海洋、先進制造、環境與化工、醫學和生命科學等許多領域有重要價值。水下爆炸大尺度氣泡能夠產生巨型海嘯，高壓氣槍氣泡是深海勘探的核心難題，空化氣泡是跨介質動力學設計的關鍵因素，可控的小尺度氣泡是前沿生命科學領域的重要載體，因此，氣泡動力學是諸多領域的關鍵基礎科學問題。18年前，攻讀研究生的張阿漫選擇了水下爆炸氣泡動力學方向，在做實驗的過程中，他發現傳統的氣泡理論預測結果與物理實驗之間存在較大偏差，為此，他找遍了國內外文獻資料，也沒有找到解決的辦法。
早在1917、1949年，諾貝爾物理學獎獲得者Lord Rayleigh和著名科學家M.S. Plesset就曾建立了不可壓縮流場中單氣泡脈動方程，在此基礎上，美國科學院院士J.B. Keller和M. Miksis于1980年推導了可壓縮流場中單氣泡脈動方程，這些理論在氣泡動力學領域發揮了重要作用。然而，由于氣泡不是孤立的，其力學行為會受到邊界效應、多氣泡、流場環境、重力等許多物理因素的耦合作用，上述因素會導致氣泡除了原地脈動，還存在可壓縮遷移現象，百余年來，尚未有一個可同時計入上述各種復雜物理因素的氣泡統一方程。因此，氣泡理論這一基礎科學問題長期以來仍未從根本上得到解決。
張阿漫相信，科學的發現需要勇氣和毅力，他試圖建立一種能夠計入上述所有物理因素的氣泡統一方程，但是真正做下去的時候，才領悟到，人類探索自然規律的每一點點推進，從來都是前途未卜的漫漫征途。這18年，他從一個在讀的研究生，成長為一名中年的科技工作者。“人類想洞悉自然界的物理規律，常常以簡潔的數學方程式展現，其優美與作用讓人贊嘆不已，這是可以寫在科學史上值得自豪的事。”張阿漫深知解開大自然的奧秘有多難。
極致探尋從未放棄，他找到揭示氣泡自然規律的高級表達
雖然十幾年前張阿漫就有了創立氣泡統一方程的構想和思路，但每一次都在推導到最后的時候，因為數學物理過程太過復雜而無法進行下去。張阿漫作為科研工作者，他當然知道，人類對于科學規律的探索，都要憑借一點點運氣，但更多的時候，往往是一場無疾而終的徒勞。他也知道氣泡動力學理論的研究和突破是不可預期的，然而，在他看來，氣泡運動是自然界最美的物理現象，十幾年來，成千上萬次的嘗試，數不清多少次看到希望又陷入絕望，但他一直沒有放棄。為了能專注于一件事，他幾乎推掉了與學術無關的所有事，專注氣泡統一理論探尋，夜以繼日地研究氣泡動力學方程。
工作任務急需的時候，他就在辦公室放了張簡易折疊床，一住就是半個月。他總是隨身帶著個筆記本，一有好的想法就立刻記下來，幾年下來，筆記超過15萬字。他的桌子上常常堆著半米多高的演算紙，用于研究氣泡動力學統一理論，隨時翻找。他有一個信念，能夠揭示自然界內在奧秘的方程隱藏著巨大的能量，雖然影響氣泡動力學的因素不計其數，但氣泡統一方程一定是很簡潔的數學形式，這是揭示自然規律的高級表達。
2020年12月一次偶然的機會，張阿漫與李世民、崔璞、李帥、劉云龍等團隊成員探討近邊界氣泡動力學問題時，突然有了一個新的原創想法和靈感，他整理思路，描述出自己的想法，從最基本的數學原理出發，構造了波動方程的移動奇點基本解，計入氣泡可壓縮遷移效應，經過一系列嚴密的數學物理演算和實驗求證，終于推導了能夠同時計入邊界效應、多氣泡、環境流場、重力、遷移、可壓縮性、粘性力、表面張力等物理因素和條件的具有優美數學形式的氣泡統一方程，從而創立了氣泡統一理論，解開了氣泡理論的奧秘，自然界真是魅力無窮、妙不可言，氣泡理論的表達竟然是如此優美的數學方程。
氣泡統一方程可預測新的物理現象
氣泡統一方程以簡潔濃縮的數學語言，描述了自然界氣泡運動的基本規律。該理論將不同源、不同尺度和不同環境下的氣泡力學行為統一在優美的數學方程中，還統一了Rayleigh-Plesset、Gilmore和Keller-Miksis等經典氣泡理論。通過氣泡統一方程，可在理論上更加精準地預測氣泡動力學行為，不僅如此，它是可以作為指導實驗的數學方程，預測新的物理現象。例如，可通過氣泡統一方程，預測多氣泡/氣泡群之間復雜波系的相互作用，預測到一些因現有實驗精度不夠高，尚未發現的新的物理現象。氣泡統一方程在服務國家海洋強國戰略中，尤其在水下爆炸、深海勘探、跨介質動力學等領域發揮了重要的作用。
在探尋氣泡統一方程的過程中，張阿漫教授團隊取得了具有重要國際影響力的原創科研成果，形成了在國際頂尖同行之中占有一席之地的氣泡動力學學科高峰方向，構建了水下爆炸氣液固全耦合動力學理論模型與方法，開發了流固耦合FSLAB基礎工業軟件，創建了大型水下特種科研試驗設施，研發了深海勘探新型低頻高壓氣槍陣列，形成了氣泡能量傳遞與防護新技術。研究成果在大型船舶、跨介質動力學、深海勘探等領域得到了廣泛應用，獲得了有關部門的積極評價和高度認可，形成了從基礎理論、算法、工業軟件、試驗技術到服務國家戰略的原始創新體系，獲得了全國創新爭先獎、科學探索獎、國家技術發明二等獎、國家科技進步二等獎、全球前2%頂尖科學家榜單、教育部自然科學一等獎等多個獎項。
在近二十年的科研生涯里，張阿漫用執著與堅守，詮釋了一個科技工作者的責任與情懷。總有人認為張阿漫的科研工作繁重辛苦，他告訴記者：“其實我從來不覺得累，很幸運生長在這個偉大的時代，有機會做有重要意義，并且感興趣的事情。我國強調要加強基礎研究，基礎研究是科技創新的總開關，我始終堅信，科學有險阻，苦戰能過關，未來將立足本職崗位，進一步著力培養創新型人才，著力開展水下爆炸、氣泡動力學、流固耦合動力學領域的原創性基礎研究和瓶頸技術攻關，為實現“海洋強國夢”而努力奮斗。”
金聲 朱虹 哈爾濱日報記者 王越
