“翻云覆雨”的专业

　　空气动力学，与我们平常认知的“运动学”没有关系，因为运动学是在没有力的情况下的运动，而动力学，则是在有力的情况下发生的运动。这个专业主要应用于航天器的设计，比如现在的民航飞机、军队战斗机的发动机的叶片设计等，都是空气动力学的应用范畴。目前，中国 1/5的电力都靠燃气机发电，一些大型的军舰也需要配备燃气轮机，而这些燃气机的发电设计就是由我们来设计完成的。除了燃气发电机，我们也可以应用这门学科设计风力发电机，比如风车。对，就是那种效率比较低的风力发电机。它绿色环保，在发电机的不断进化和改善下，风车也可以不断发挥其最大效用。同时，一些大型的发电厂也会应用这个原理来设计和运作：发电机可以为一些靠风力发电、太阳光发电的发动机提供能量备份。因为电网是有起伏的，这种起伏对电力的供应有很大的冲击。像风力、日照类的能量具有不稳定性，比如，白天的时候有太阳，可是晚上就没有了；风力也是一样，有风的时候有电，没风的时候，风机的发电量就会很小。这种输电量的起伏会对电厂产生很大的影响。为了保证不出现这种电网的大起大落，可以把燃气机作为一个电力的备份。当输出的电量小时，燃气机会持续补充电力，使电网始终保持一个平稳的电峰，维持电网的健康。

　　具体而言，我的研究方向是做流体计算的。流体，即流动的物体，我们熟知的气体、液体等都是流体。比如现在医生做外科手术时，可以利用机器模拟血液的运动，预测心脏哪里有梗塞——这就是流体计算的结果。流体计算最直观的体现就是天气预报，它的观测原理就是在各个地点把观测数据上报，通过计算风、雨、气压等的变化和运动，就可以预测天气了。天气预报之所以难以精确，难度在于计算的时间很长。每一次观测的数据可能有成百上千个GB，而气象学家需要在如此海量的数据中解读出有用的信息，可谓难上加难。从边界条件上来说，目前的人力对边界的检测是很有限的，从几个有限的气象站中获得的数据，从整体上看，不过是一个城市的几个点而已。但流体计算是整个三维空间里所有区域的整体计算，任何一点数据的缺失都会影响最终计算结果。所以，天气变化的走向非常不确定，因为其本身物理模型建立的信息输入就是不完整的，即便我们实现了完整的信息输入，这个模型在计算的过程中也会产生误差。比如我们要预测一个城市的天气，该城市面积很大，每一寸面积的上空都有流体的运动，加上水变成雨雪冰的过程，综合起来就是一个无比复杂的大型计算，以目前的技术来讲，太难实现精确预测。如果这一项技术在未来可以达到精确，人类就可以非常轻易地控制天气，只要把想要的流体放在想放的位置，并改变一些条件，就可以真正实现“翻手为云，覆手为雨”了。

　　结合我的专业，流体计算就是通过推演，提高发动机的效率，让它转得更快更好。以普通民航的发动机叶片为例，当叶片转起来时，发动机会升温至3000℃，压力是大气的5至几十倍。这时的发动机叶片就相当于一根普通的蜡烛，在一个巨大的油锅里以每秒300米的速度转动，同时还要承受和太阳表面一样的温度和压强，而我们的研究和工作，就是保证这根 “蜡烛”转几千个小时都不会融化。当我们做的发动机应用到民航客机上时，航空公司会进行整机实验来测试发动机的性能，那景象可以说是“壮观”！把真的航空发动机驾到高台上去运行，周边的环境会极其恶劣，我们在观察室中都会被极高速的运转所震撼。这个“实验”虽然听上去非常 “无厘头”，但这就是赤裸裸的研究难度。当然，我们在实验室里的实验则要温和几百倍不止，我们会通过计算把它推演到实际情况中去。但即便这样，所有实验室及观察室的玻璃也都是防弹级别的。因为即便温和了几百倍的发动机转起来，一旦某个叶片由于转速太快飞出去，都会造成非常严重的杀伤力。由此可见这个实验的难度与危险。

　　目前，流体计算的最新技术是“近似模型”。这个模型以现在的计算机水平是可以被算出来的，它的成果可以保证发动机运转的速度和精度。在我的毕业论文中，我开发出了一种新的计算方法，可以使近似模型计算出来的数据更快更准确地被解读，从而最终提升发动机的性能和效率。近似模型的出现使得航天器的动力系统提升了一大步。如今，在发动机的叶片上出现了一些新的设计，这些idea最早只使用在军用航天器的发动机上。现在的民用大型航天器也都应用了这些设计，提升了发动机叶片的气动性能和传热性能，进而让飞机飞得更快更稳，二氧化碳的排放更少，噪音更低，同时消耗更少的能源，发动机寿命更长。

　　现在在研究的电动飞机、飞行出租车等，都是流体计算应用在新领域的成果——研究者不再局限于燃气发动机，还可以开发和研究新的动力系统。

　　目前在这方面做得最完善先进的是欧洲一家叫作Lilium的公司，它们已经制造出了小型的飞行器，可供单人使用，它可以实现日常交通从平面变成真正意义上的立体，大大缓解了地面交通堵塞的问题，也可以节约能源。但是飞行出租车的实际推行与应用还有很大的阻力，除了一些法律法规上的限制，还有安全及噪音上的考量。不过，相信不久的将来，这些限制条件会得到很好地解决。随着这些高科技产品的面世，人类很快便可以享受到这些科技成果带来的便利。