引風(fēng)導(dǎo)氣求實存真
——記北京大學(xué)2號環(huán)境風(fēng)洞實驗室主任林官明

2019-10-10 02:54:06杜月嬌

科學(xué)中國人 2019年16期

□ 杜月嬌

林官明

2004年，中央電視臺綜合頻道播出的一部名為《國家使命》的電視劇風(fēng)靡全國。該劇改編自長篇小說《風(fēng)洞》，講述了20世紀(jì)60年代，一批專門研究空氣動力學(xué)的軍人付出了常人難以想象的艱辛去征服風(fēng)洞王國中那一座座科技高峰的故事。通過此劇，很多普通百姓知道了“風(fēng)洞”一詞。

風(fēng)洞最早應(yīng)用于航空業(yè)，被稱為航空風(fēng)洞。20世紀(jì)30年代，英國國家物理實驗室開始利用航空風(fēng)洞研究風(fēng)對建筑和結(jié)構(gòu)的影響，其后，西方國家陸續(xù)建設(shè)了一些風(fēng)洞專門進(jìn)行大氣污染擴散與質(zhì)量遷移的研究，這些風(fēng)洞叫作環(huán)境風(fēng)洞或氣象風(fēng)洞。

1984年，我國第一座完全自主研發(fā)的環(huán)境風(fēng)洞——北京大學(xué)2號環(huán)境風(fēng)洞建成并投入運行。運行至今，該風(fēng)洞在科研、教學(xué)以及國家建設(shè)等方面都起到了重要的作用，并取得了多項榮譽。北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院高工林官明是北京大學(xué)2號環(huán)境風(fēng)洞實驗室的第5任負(fù)責(zé)人，自2001年擔(dān)任主任以來，他帶領(lǐng)著實驗室完成了大量有關(guān)環(huán)境空氣動力學(xué)方面的研究課題和測量任務(wù)，為我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了應(yīng)有貢獻(xiàn)。

風(fēng)洞研究助推環(huán)境科學(xué)發(fā)展

北京大學(xué)2號環(huán)境風(fēng)洞實驗室位于北京大學(xué)力學(xué)大院西北側(cè)，物理學(xué)院北側(cè)，占地約870平方米，高度8米，風(fēng)洞總長50米，實驗段長32米、寬3米，能夠高精度地進(jìn)行大氣擴散、大氣湍流機理、近地表起降塵、近地表防風(fēng)效應(yīng)、建筑物風(fēng)荷載與風(fēng)振動等研究。它是20世紀(jì)80年代初為了開展中國的環(huán)境科學(xué)研究，由北京大學(xué)葉文虎教授率領(lǐng)其課題組創(chuàng)建的，已成為中國環(huán)境科學(xué)研究領(lǐng)域重要的組成部分。

“環(huán)境風(fēng)洞是用來產(chǎn)生人造氣流的管道，其功能在于模擬大氣邊界層流動，因而，涉及大氣邊界層流動的一些科學(xué)和工程問題都可以用環(huán)境風(fēng)洞進(jìn)行模擬，做相關(guān)的測量和研究。”1999年，林官明放下手頭的核電站應(yīng)急事故模擬研究，前往澳大利亞墨爾本大學(xué)進(jìn)行訪問，師從Joubert教授學(xué)習(xí)風(fēng)洞模擬研究。之后，他回到北京大學(xué)一邊從事研究工作，一邊攻讀博士學(xué)位，導(dǎo)師為北京大學(xué)2號環(huán)境風(fēng)洞實驗室創(chuàng)建人葉文虎教授。博士畢業(yè)后，他留在北京大學(xué)2號環(huán)境風(fēng)洞實驗室工作至今。

20多年來，林官明在環(huán)境風(fēng)工程，尤其是大氣污染擴散研究方面開展了一系列前沿、創(chuàng)新工作，主持過多項有關(guān)大氣環(huán)境污染的國家攻關(guān)項目以及國內(nèi)外橫向課題，其測試基礎(chǔ)數(shù)據(jù)用于許多重大工程，起到了重要的作用。

參加科普展覽

目前，我國在很多領(lǐng)域?qū)Νh(huán)境風(fēng)洞研究都有著重大需求。尤其是在環(huán)境科學(xué)的教研中，環(huán)境風(fēng)洞是目前國內(nèi)外都無法替代的重要手段之一，是理解大氣擴散現(xiàn)象的基本工具。

林官明介紹說：“直接對大氣中的污染物進(jìn)行測量，耗資巨大，費時費力，而且獲得的往往是特定情況下的測量結(jié)果，當(dāng)外界條件如風(fēng)速、建筑物形狀或地形改變時，現(xiàn)場實驗就很難預(yù)測污染物的遷移擴散規(guī)律。風(fēng)洞實驗方法測量方便、準(zhǔn)確、安全，氣流參數(shù)如速度、壓力、密度、溫度等易于控制和改變，可滿足各種試驗要求，一般不受天氣變化的影響，可以連續(xù)進(jìn)行試驗，利用率高，實驗費用比較低廉?！?/p>

至今，2號環(huán)境風(fēng)洞實驗室在國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面已經(jīng)承接了包括國家大劇院、國家體育場、北京市金融街、北京電視臺、北京商務(wù)中心CBD在內(nèi)的70余項重要建筑風(fēng)荷載試驗；在安全能源領(lǐng)域，承接了包括山東鄒縣超大型冷卻塔、華能電廠煤棚、聊城電廠冷卻塔等10余項風(fēng)荷載試驗；在環(huán)境領(lǐng)域，實驗室承接了大亞灣核電站大氣擴散試驗、澳門街區(qū)汽車尾氣污染擴散試驗在內(nèi)的20余項重大項目試驗，為環(huán)境控制與發(fā)展等國家級課題提供了第一手試驗數(shù)據(jù)。

“在風(fēng)洞實驗室做實驗研究，很多工作都富有挑戰(zhàn)性。沒有現(xiàn)成的教科書可以參考，也沒有人告訴你該怎么做，好多試驗完全靠自己去琢磨?！闭f完，林官明又有些愉快地說道，“但是，在風(fēng)洞里面做試驗也很好玩，因為我們要模擬現(xiàn)場，用到的模型都要我們自己設(shè)計并制作出來。比如，街區(qū)汽車尾氣污染擴散試驗，我們就做了移動的汽車模型，煤堆起降塵研究中則設(shè)計制作了堆起料機的模型，當(dāng)然這個堆起料機模型得按要求一定時間內(nèi)運送一定量的煤粉?！?/p>

在所有的科研教學(xué)項目的背后，風(fēng)洞的正常運行是順利完成科研教學(xué)任務(wù)的前提。多年來，在實驗室工作人員的精心維護(hù)下，北京大學(xué)2號環(huán)境風(fēng)洞實驗室的設(shè)備和儀器都工作正常，滿足了風(fēng)洞實驗所需。

開展干沉降的前沿研究

在干燥天氣期間，尤其在干旱半干旱地區(qū)，干沉降是大氣顆粒物的主要去除方式，它對區(qū)域輻射平衡、地表沉積、深海沉積和全球氣候變化都有巨大的影響，因而正成為大氣環(huán)境科學(xué)中的一個重要研究領(lǐng)域。

氣溶膠顆粒向地球表面的干沉降規(guī)律在大氣環(huán)境科學(xué)中屬于基本研究內(nèi)容之一。湍流邊界層的速度分布和下墊面空間結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性導(dǎo)致氣溶膠干沉降具有很強的隨機性，而顆粒物粒徑和密度的不同以及微氣象條件的多變使得干沉降過程更加復(fù)雜。目前國內(nèi)外對干沉降速度的物理意義仍缺乏深入研究，相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也比較少。

早在2000年，林官明攻讀博士學(xué)位時就已經(jīng)對大氣顆粒物的運動規(guī)律進(jìn)行了初步探索，并且與導(dǎo)師葉文虎教授多次討論邊界層湍流的影響。在北京大學(xué)2號風(fēng)洞從事實驗工作后，林官明繼續(xù)對“壁面猝發(fā)湍流對顆粒物起塵機理”進(jìn)行了較為深入的理論研究，相關(guān)成果已發(fā)表在2008年的《中國環(huán)境科學(xué)》期刊。

2017年5月到2018年12月，在武威的騰格里沙漠，林官明作為現(xiàn)場實驗人員參與了“長江生態(tài)遙感分析和沙塵重污染起塵機理研究”項目，協(xié)助任陣海院士探索風(fēng)沙起塵的機理，在大氣顆粒物實驗研究方面積累了較豐富的經(jīng)驗，為后期的實驗研究奠定了較好的基礎(chǔ)。他還與任陣海院士共同研究了室內(nèi)顆粒物的穩(wěn)態(tài)置換流的凈化機制，引起了國外同行的高度重視。

2018年，在大氣氣溶膠干沉降方面，林官明團(tuán)隊還開展了自由探索課題“典型下墊面比表面積與干沉降速度的關(guān)系”，已初步建立了一個干沉降速度模型。在研究過程中林官明團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外幾乎沒有研究涉及干沉降速度與顆粒物物理運動速度以及參考高度之間的關(guān)系，并且缺乏同時測量多種下墊面的系統(tǒng)資料，顆粒物干沉降的數(shù)值模擬與實測結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。

因此，基于前期在干沉降方面所做的工作，林官明開展了“大氣湍流作用下氣溶膠干沉降特征”的實驗研究，項目將以現(xiàn)場測量為主，輔以數(shù)值實驗和理論分析，對干沉降速度與顆粒物物理運動速度之間的內(nèi)在聯(lián)系，剪切應(yīng)力和湍流強度的垂直分布規(guī)律及其對干沉降過程的影響進(jìn)行較為細(xì)致的研究，進(jìn)而提出新的干沉降參數(shù)化方案，以完善氣溶膠干沉降的研究理論，促進(jìn)大氣環(huán)境科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。該項目研究在國內(nèi)外屬于比較前沿的研究。其創(chuàng)新之處在于：揭示干沉降速度的物理意義，提出干沉降參數(shù)化方案。

科研站在好奇的背后

亞里士多德說，“古往今來人們開始哲學(xué)探索，都應(yīng)起于對自然萬物的驚異”，林官明對這句話有著深切的認(rèn)同。在他看來，好奇是科學(xué)的源動力，因為好奇，哲學(xué)家才會思索人生的真諦，科學(xué)家才會探索宇宙的奧秘。

了解林官明的人都知道，他是一個喜歡“玩兒”的人。他的很多決定都是基于“好玩兒”的初衷。他從小就愛問為什么，對各種自然現(xiàn)象充滿好奇，看著父親做木工，他也喜歡動手做一些小物件，還帶著兩個妹妹用土法熬硝做火藥。中學(xué)時，他曾將高中物理的所有實驗全部做完，期間，物理老師周良襄干脆把學(xué)校物理實驗室的鑰匙交給了他。這些經(jīng)歷造就了他超強的動手能力。

1987年，林官明以優(yōu)秀的成績考進(jìn)北京大學(xué)力學(xué)系?！爱?dāng)時選專業(yè)是有些盲目的。高考前，我在中學(xué)的圖書館看了一本《八大科技領(lǐng)域巡禮》的書，當(dāng)時覺得力學(xué)挺好玩兒，就選擇了這個專業(yè)?！贝髮W(xué)畢業(yè)后，林官明因偶然的機會進(jìn)入北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)中心工作。由此，研究方向轉(zhuǎn)向環(huán)境空氣動力學(xué)方面。

談及轉(zhuǎn)向環(huán)境科學(xué)研究的原因，林官明先講到了他中學(xué)時的見聞：“我讀的中學(xué)是臨汾一中，學(xué)校臨近汾河，周末時我總是去河邊玩。20世紀(jì)80年代的汾河污染已經(jīng)很嚴(yán)重了，捧一捧水放在沙灘上，水干以后，都能揭下一層皮?！睂Υ?，林官明還專門寫了幾篇有關(guān)環(huán)境污染的作文。上大學(xué)后，他選修了“環(huán)境科學(xué)概論”課，讓他對環(huán)境科學(xué)有了更多的認(rèn)識，也對環(huán)境科學(xué)產(chǎn)生了很大興趣。

林官明坦言道：“做研究需要有興趣做基礎(chǔ)，因為科研是一個漫長而艱難的探索過程，在這個過程中很多時候都是沮喪和挫敗的。如果沒有興趣作為基石，很難持久地堅持下去?！庇绕涫亲鰧嶒炑芯?，極其需要耐心與恒心，接觸的東西也十分復(fù)雜，“如果你覺得好玩兒，那你就不覺得苦，結(jié)果出來的那一刻，真的會很開心?！?/p>

當(dāng)然，這種開心的背后，是對“創(chuàng)新”和“自力更生”這兩種本領(lǐng)的掌握。在實驗過程中，對軟硬件的掌握全靠自己，很多時候，還要根據(jù)理論的指導(dǎo)和實驗的需求，自己動手做出所需要的裝置和模型。近期，林官明正在做的一個完全自動采樣的裝置就是“無中生有”。他說：“創(chuàng)新不能墨守成規(guī)，尤其要鼓勵‘不聽話’的孩子，跳出框架和束縛，才能更好地實現(xiàn)創(chuàng)新。”

近幾年，林官明在做風(fēng)洞試驗的過程中由堆料后的沙紋聯(lián)想到沙漠里的沙紋、天上的云街、鳴沙，規(guī)律性的空間分布背后一定有其必然性，興趣促使他思索?！斑@是不由自主的思考，我喜歡思考。沙紋很有規(guī)律，沙丘也很有規(guī)律，我就覺得好玩兒啊，就想知道這是為什么呢？沙鳴又是怎樣產(chǎn)生的呢？然后，我就去研究了。”

在騰格里沙漠中進(jìn)行與沙紋研究有關(guān)的表面波測量

很多人對他的鉆研行為不理解，問他：“你研究這個有什么用嗎？”面對這些疑問，林官明也表現(xiàn)出了不理解，他說：“我不喜歡別人問我你研究的這個東西有什么用，為什么一定要有什么用呢？我看見一個現(xiàn)象，然后搞清楚為什么，這就很有意義，很好玩，不是嗎？”

覺得好奇就去研究，覺得好玩兒就去研究，對林官明來說，很多時候，研究就是如此單純，僅僅是他想知道原因，然后他就投入精力去探索，去找尋。

揭開鳴沙的神秘面紗

鳴沙現(xiàn)象最早見諸文獻(xiàn)《三秦記》：“河西有沙角山，峰崿危峻，逾于石山，其沙粒粗，色黃，有如干躇。又，山之陽有一泉，云是沙井，綿歷今古，沙不填之。人欲登峰，必步下入穴，即有鼓角之音，震動人足?！薄抖鼗弯洝份d：“鳴沙山去州十里，其山東西八十里，南北四十里，高處五百尺，悉純沙聚起。此山神異，鋒如削成。其間有井，沙不能蔽。盛夏自鳴，人馬踐之，聲振數(shù)十里。風(fēng)俗端午日，城中士子女皆躋高峰，一齊蹙下，其沙聲吼如雷?！瘪R可波羅在其游記中也記載了在沙漠中聽到的神奇的聲音。20世紀(jì)前后，Nature也對鳴沙有連續(xù)的報道。鳴沙現(xiàn)象曾一度蒙著一層面紗，人們不知道聲音從何而來。

從對沙鳴現(xiàn)象產(chǎn)生興趣到文章寫出來，林官明花了2年多的時間。他結(jié)合理論與計算，建立沙坡表面沙粒運動模型，對鳴沙的發(fā)聲機理進(jìn)行了研究。林官明發(fā)現(xiàn)沙粒的協(xié)同進(jìn)行是鳴沙現(xiàn)象形成的根本機理。

將沙堆的沙流分層，最外表面可自由運動的一層稱為自由層，而較自由層低的一層稱為參考層。假設(shè)自由層中，相鄰的兩顆沙粒受到擾動，開始沿沙坡向下運動，如果它們步調(diào)一致，兩者不會相撞；如果后者速度快，追上了前者，那么二者碰撞，后者把動量傳遞給前者，前者加速，后者減速，以此類推，位于沙流鋒線的沙?？偰軌蜉^快地達(dá)到穩(wěn)定的運動；如果后者速度小，那么對前者不會產(chǎn)生影響。這樣，沙坡上的沙粒最終按鋒線沙粒的移動速度下行，達(dá)到頻率自鎖?！吧沉Ｍ较禄且粋€快速適應(yīng)的過程，從計算過程看，歷經(jīng)5次碰撞或5個沙粒粒徑即可協(xié)同。”即便沙粒粒徑不十分均勻，只要運動時，從一個沙粒正上方到下一個沙粒正上方所需的時間比較接近，沙粒仍會自行協(xié)同進(jìn)行速度，從而整體上達(dá)到同步，形成共鳴。

進(jìn)一步，若自由層沙?；緞蛩偻竭M(jìn)行，則它們對參考層沙的作用基本均勻，因而誘發(fā)參考層沙的運動必然也是均勻的，以此類推，得到近似線性的沙流速度剖面。自由層沙與參考層沙的相對移動過程看上去更像是兩層砂布的摩擦，顆粒之間相對位置不變，形成了較大的轟鳴聲。

目前，林官明對沙紋的研究還在持續(xù)，他認(rèn)為沙紋、云街的產(chǎn)生是表面波的體現(xiàn)，“當(dāng)然，這只是一種假設(shè)，還需要理論和實驗驗證”。

為環(huán)境倫理學(xué)投入一份力量

林官明稱自己是一個“不安分者”，這不但體現(xiàn)在他在本職工作內(nèi)的創(chuàng)新能力，還體現(xiàn)在其他方面的工作上。林官明曾在國家圖書館看到英文版《環(huán)境倫理學(xué)》一書，覺得很有意思，就將書的內(nèi)容講給別人，這使得他與環(huán)境倫理推廣結(jié)下不解之緣。后來他將這本書慢慢翻譯成中文，以便宣傳環(huán)境倫理。再后來，北京大學(xué)出版社得知此書有中文譯稿，就聯(lián)系他出版了此書當(dāng)時的最新版，之后，應(yīng)北京大學(xué)邀請他開講了這門課至今。

沙漠沙紋

林官明曾和《環(huán)境倫理學(xué)》的原作者有過溝通與交流，他認(rèn)為這本書的內(nèi)容多為西方環(huán)境倫理思想，欠缺中國內(nèi)容，所以后來在編寫教材過程中他加入了東方的環(huán)境哲學(xué)理念?！拔覟槭裁匆鲞@件事呢？其中的一個原因是，進(jìn)行環(huán)境科學(xué)研究多年，我覺得很多環(huán)境問題的解決是不能單單靠科學(xué)技術(shù)完成的，它也應(yīng)該從人的環(huán)境意識上去努力，環(huán)境倫理正是從道德的方面來進(jìn)行研究的?！?/p>

環(huán)境問題是一個需要集各方之力，全民行動起來解決的問題。林官明說：“我并沒有打算做這方面的深入研究，我只是一個‘喇叭車’，將我知道的東西傳播出去，普及開去。”