科技日報記者?李麗云?通訊員?朱虹

“3、2、1！”

隨著口令下達，巨大的爆炸聲激起雪白浪花，水下大尺度高壓氣泡釋放出強大壓力波。

(相關(guān)資料圖)

——這是今年6月，在我國某試驗場進行的一次成功試驗。該試驗以業(yè)內(nèi)稱為“Zhang方程”的氣泡統(tǒng)一方程為指導(dǎo)，探明了氣泡高效傳遞能量機制，為大型船舶的防護設(shè)計提供了依據(jù)。

氣泡統(tǒng)一方程由哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院教授張阿漫創(chuàng)立，今年3月正式發(fā)表于國際流體力學(xué)期刊《流體物理》。它以簡潔優(yōu)美的數(shù)學(xué)方程，描述了自然界氣泡運動的基本規(guī)律，破解了氣泡動力學(xué)理論未解之謎。

“他得了個‘張半月’的稱號”

氣泡廣泛存在于自然界，大大小小，看似尋常，卻蘊含著巨大的奧秘和威力。大尺度氣泡能夠產(chǎn)生巨型海嘯，小尺度氣泡可以將藥物輸送到靶向器官。控制氣泡、利用氣泡，是百年來學(xué)者們的不懈追求。

早在1917年、1949年，諾貝爾物理學(xué)獎獲得者瑞利和科學(xué)家普勒賽特等人就建立了不可壓縮流場中單氣泡脈動方程，但其僅預(yù)測了理想狀態(tài)下的氣泡運動規(guī)律。1980年，美國科學(xué)院院士凱勒等科學(xué)家在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了可壓縮流場中單氣泡脈動方程，因其更接近氣泡自然規(guī)律，被廣泛應(yīng)用。

氣泡運動受到千萬種因素影響，如何精準探尋氣泡的運動規(guī)律？

2005年，正在哈爾濱工程大學(xué)讀博的張阿漫研究水下大尺度氣泡動力學(xué)行為時，發(fā)現(xiàn)經(jīng)典氣泡方程的理論預(yù)測結(jié)果與物理實驗之間仍存在較大偏差。為了找到其中原因，張阿漫一頭扎進了實驗室。

“他常說‘工作就是休息’，每天半夜1點睡，早上6點起。有時有了靈感，在實驗室一住就是半個多月，因而得了個‘張半月’的稱號?！惫枮I工程大學(xué)教授郭君向科技日報記者回憶道。

十幾年間，張阿漫不斷加深對氣泡的認識，逐漸洞察了前人方程的局限性。他告訴記者：“氣泡在水中不僅會原地脈動，還會受到邊界、多氣泡、重力、環(huán)境流場等物理因素的嚴重影響，發(fā)生可壓縮遷移運動。要想更精確探尋其運動規(guī)律，就要搞清楚氣泡在可壓縮性流場中的遷移效應(yīng)，這也是最大的難點。”

通過大量實驗和計算分析，張阿漫探明了復(fù)雜條件下氣泡系列運動的機理與規(guī)律，并且有了建立氣泡統(tǒng)一方程的初步構(gòu)想。

“既然找不到，就構(gòu)造一個！”

幾十年來，氣泡領(lǐng)域的科學(xué)家希望通過數(shù)學(xué)公式解釋氣泡運動的物理現(xiàn)象，將影響氣泡運動的所有復(fù)雜物理因素統(tǒng)一到一個方程中。他們一直在努力，但一直沒有突破性收獲。

2020年以前，張阿漫也是在其他方程基礎(chǔ)上不斷作修正，以期最接近氣泡的真實表達，但總是事與愿違。

張阿漫決定：開辟新思路，開創(chuàng)屬于自己的氣泡動力學(xué)方程！

要在理論上同時考慮氣泡脈動、遷移和流場可壓縮性，需要用到波動方程移動奇點的基本解，然而在已發(fā)表的文獻中找不到答案?！皼]有基本解就相當(dāng)于蓋房沒磚，開門沒鑰匙?！睆埌⒙髁艘粋€大膽的決定，“既然找不到，就構(gòu)造一個！”

張阿漫堅信，雖然影響氣泡動力學(xué)的因素不計其數(shù)，但氣泡統(tǒng)一方程一定是很簡潔的數(shù)學(xué)形式，這是揭示自然規(guī)律的高級表達。隨身攜帶筆記本的他，一有好想法就記下來，相關(guān)筆記超過15萬字。

2020年，張阿漫與團隊成員討論近邊界氣泡運動時，他突然有了原創(chuàng)性的想法：“移動點源的基本解，是否可以用無窮多個固定點源的基本解疊加得到？”基于這個想法，他先后構(gòu)造了移動點源和偶極子的基本解。

然而，當(dāng)他以為即將登頂時，一次核算發(fā)現(xiàn)，一個氣泡方程的遷移部分的可壓縮項多普勒效應(yīng)考慮出現(xiàn)了偏差，導(dǎo)致后面的推導(dǎo)需要全部推翻重來。

“星光不問趕路人，時光不負有心人?！睆埌⒙]有氣餒，他迅速調(diào)整好狀態(tài)。此后不久，他以更高效率和質(zhì)量推演出了一個簡潔、優(yōu)美、對稱的方程，仿佛就是“多少次在夢中看到的氣泡統(tǒng)一方程”。

德國杜伊斯堡—埃森大學(xué)氣泡動力學(xué)專家Hemant Sagar（赫曼特·塞格爾）認為，“氣泡統(tǒng)一方程是繼瑞利—普勒賽特方程（1917年、1949年）、凱勒方程（1980年）之后氣泡理論領(lǐng)域劃時代開創(chuàng)性的工作”。中國科學(xué)院力學(xué)所王一偉研究員認為，“這一方程可為深化氣泡機理研究提供重要的新思路和新理論”。

“在諸多領(lǐng)域具有重要理論和應(yīng)用價值”

“氣泡變幻莫測，常常四兩撥千斤，通過出人意料的巧勁，釋放巨大能量。”張阿漫說。

氣泡統(tǒng)一方程不僅能在理論上更加精準地預(yù)測氣泡動力學(xué)行為，還能作為指導(dǎo)實驗的數(shù)學(xué)方程，預(yù)測新的物理現(xiàn)象和規(guī)律。

“這一方程擺脫了傳統(tǒng)方程的限制，是氣泡理論上的重大突破和里程碑式的工作，在船舶、海洋、機械、醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)等諸多領(lǐng)域均具有重要的理論和應(yīng)用價值。”業(yè)內(nèi)權(quán)威專家、武漢大學(xué)季斌教授如是說。

高壓氣槍陣列對于深遠?？碧絹碚f，好比獵人手中的獵槍。長期以來，高壓氣槍一直依賴進口，不僅價格昂貴，核心技術(shù)也受到封鎖。

在近期進行的深海勘探試驗中，由我國自主研發(fā)的高壓氣槍在物探船的牽引下，呈現(xiàn)出經(jīng)過氣泡統(tǒng)一方程精準計算過的陣列。高壓氣槍陣列向海底精準發(fā)出壓力波，通過對回彈反射波的分析，實驗人員可以測出海底是否有可燃冰、石油等珍貴海洋資源。

在張阿漫看來，高壓氣槍陣列的核心原理本質(zhì)上就是氣泡群的脈動和遷移。有了氣泡統(tǒng)一方程，我國不僅可以自主研發(fā)多方面性能優(yōu)于國外產(chǎn)品的高壓氣槍，原來技術(shù)人員很難獲得的最理想氣槍陣列，也可通過反演算法精準計算獲得。

目前，哈爾濱工程大學(xué)正在設(shè)計研發(fā)用于超深海勘探的新型低頻大容量高壓氣槍陣列?！暗皖l氣槍意味著可以獲得高精度的反射波信號，探測得更深更遠?！睆埌⒙榻B。

黨的二十大報告對加快實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略作出重要部署，強調(diào)要加強基礎(chǔ)研究，突出原創(chuàng)。

“基礎(chǔ)研究是科技創(chuàng)新的總開關(guān)?！闭雇磥?，張阿漫堅定地說，“我將進一步著力培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，著力開展原創(chuàng)性基礎(chǔ)研究和瓶頸問題攻關(guān)，為實現(xiàn)‘海洋強國夢’努力奮斗！”

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