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【学科前瞻三十年】

Marie-Jean THORAVAL:液滴和气泡的超快速动力学

来源:交大新闻网 日期 2018-06-19 10:05 点击:

直到近期,高速相机才开启了快达几微秒的新动力学纪元。如今高速相机可以让我们接触到液滴冲击飞溅、空气截留、聚结、气泡破裂、超快速射流、沸腾等复杂的动力学细节。这些动力学现象在广泛的工业制程中均起着根本的作用,如3D打印、燃烧、飞行器防冰,喷雾冷却,喷漆,灭火等。微气泡的动力学在生物医学应用中起着至关重要的作用,如超声成像或靶向给药。一个典型的10μm大小的气泡在兆赫兹范围内振荡,需要低于100纳秒的高速成像能力来捕捉其动力学现象。目前市场上的高速相机可以捕捉到每秒1000万帧(10MFPS)的画面,而在实验室研发的最新技术承诺在不久的将来高速摄像机将可以捕捉到100MFPS甚至10亿FPS的画面。正是这些技术使我们能够不断地提高我们对超快速世界的探索和认知极限。

高速摄像机正在成为实验室的常用设备。近年来,在这些高速摄像机的帮助下,科研工作者们获得了一些令人振奋的新发现。然而,这仅是我们探索复杂的高速成像世界的第一步。

未来的30年有望成为流体力学领域研究最振奋人心的时间段,随着高速成像技术的不断发展,我们将开始探索几亚微秒的动力学现象。对于不同的研究领域和方向均有不同类型的高速摄像机相适应与匹配,单一台高速摄像机是无法完成所有的研究需求的。例如经典的高速摄影机可以实现很长的记录时间,跨越大范围的时间尺度。然而,它们受到数据传输到存储器的传输速度的限制。因此,图像的分辨率随着帧速的增加而减小。这种经典的高速摄像机是最常用的高速摄像机,但在高帧速下只能提供有限信息。与之相反,超高速相机使用不同的策略:它们在所有能够达到的帧速下均使用传感器的全分辨率,同时牺牲能够捕捉图像的总数量。它们是最强大的相机,但更具使用的挑战性。在上述粗略的分类之下,高速摄像机的种类根据其应用领域和研究方向还可进一步细分,例如PIV(粒子图像测速),高分辨率,光束分裂,彩色,红外线,断层成像等等。

以上关于液滴和气泡的超快速动力学实验技术的发展与其数值方法的发展以及大型超级计算机的使用均密不可分。数值模拟使我们在这个领域的研究上有了互补的认知。实验和模拟都有各自的优点和局限性。虽然数值模拟技术为我们提供了一个能够在特定并且可控的条件下精确地捕捉动力学现象的可能,但数值模拟仍需要依靠实验技术,了解主导物理效应的建模和以及提出在实验中观测到的新的问题。然而,开发强大的数值模拟需要大量的专业知识,包括基本的数值模型,具体物理问题的实现,以及它们在大CPU或GPU集群上的优化。

液滴和气泡的超快速动力学的探索需要昂贵的实验工具和数值模拟工具的结合。因此,在具有共同的实验工具需求的研究人员之间发展合作是非常重要的,尤其是高速摄像机的跨领域使用。例如,在流体力学领域中高速摄像机十分重要,可以捕捉液滴和气泡的动力学现象,在湍流研究或空气动力学中高速摄像机也同样重要。在固体力学中,高速摄像机可以用来捕捉撞击的动力学、裂纹的传播和材料的断裂等现象。除了个别研究领域,大部分的研究领域均需要结合具有不同专业背景的人合作,例如结合化学工程和流体力学,软材料和生物学,表面化学和材料科学等。在未来30年中,我们不应局限于封闭领域的研究分类,而是应鼓励交叉学科间新兴领域的发展。未来30年的主要挑战之一是如何更好地支持跨学科的研究,聚集不同专业背景的研究人员更加有效地合作开发研究项目,更好及更高效地利用实验工具。

研究团队离不开合格的实验技术人员的支持。随着解决重要问题所需的设备和专业知识的范围不断扩大,研究人员将需要使用更大范围的实验技能来完成研究项目。随着设备和技术复杂性的增加,研究人员无法掌握他们需要用于研究的所有技术。因此,为研究团队提供合格的专业技术人员及辅助人员是十分重要的。科研团队的成功取决于团队成员、专业知识和设备的正确组合。忽略其中的任意一个方面都会造成其他方面资源的损失和浪费。正确有效的结合只能在多学科的研究团队中发展和实现,这已超越了经典的研究领域划分方法。

同样,随着多学科越来越被认可,我们也应该认识到对具备跨职位技能人才的需求。研究设施的设计、搭建和维护不仅需要有专业的知识,也需要了解研究人员的具体需求。如果没有恰当的设计来配合,那么即使是使用了世界上最好的研究设备都是无用的。

当我们的学科朝着卓越发展时,我们应该为我们所在的团队的各个层面寻找具有更广泛的专业知识的、跨领域的优秀人才。正因为我们需要努力争取更优秀的人才加入,我们也应该认识到个人发展机会在组织内的重要性。我们需要不断地反思我们是否为各个层面的人员均提供了足够的个人发展空间和机会。通过培训、实习和在线课程等提高从业者的专业知识,是促进团队顺利工作和加快学科发展的关键之一。

我们的发展目标是世界一流大学,我们应该认识到研究没有国界。因此,我们应该欢迎来自世界各地的优秀人才,从提供更好的英语环境支持开始做起。及时、可靠地执行政策对于吸引和留住优秀人才也是非常重要的。

作者简介

Marie-Jean THORAVAL,法国籍,航天航空学院教授、博导,青年千人计划学者。

邮箱:mjthoraval@xjtu.edu.cn

学院简介

西安交通大学航天航空学院成立于2005年4月10日,拥有机械结构强度与振动国家重点实验室、力学实验教学国家示范中心、国际应用力学中心及8个省部级科研基地;力学、航空宇航科学与技术两个一级学科博士点;工程力学、飞行器设计与工程2个本科专业;创办3个国际期刊。培养的人才享有极高的社会声誉:多人已成为国际知名学者,如美国科学院院士、美国工程院院士、中科院外籍院士、德国科学院院士、布朗大学教授高华健, 美国工程院院士、哈佛大学教授锁志刚,中国工程院院士陈政清教授,中国科学院院士郭万林教授等。力学学科在2017年教育部第四轮全国学科评估中名列第三,2017年“软科”全国学科排名第一,2017年成为国家建设“世界一流学科”之一。

文字:航天学院 Marie-Jean THORAVAL
编辑:星 火

 
 
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