第153章 普适性积冰生长模型
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“多体耗散粒子动力学……”
祝兰重复了一遍这个名词，同时抬手理了一下头发。
这是她在思考时会做的一个无意识动作。
作为一个表面物理学教授，祝兰自然很早就开始接触分子动力学相关的计算模拟了。
其中自然也包括耗散粒子动力学（DPD）——一种在最近几年才被提出的、应对介观粒子运动的数值模拟方法。
但这个多体耗散粒子动力学又是什么？
DPD中的基本粒子本来就不是分子动力学中的单个原子或者分子，而是代表着一个个分子团的粗粒化粒子。
由于省去了分子动力学中对所有分子进行描述的麻烦，系统的自由度大大减少，计算量也随之呈指数级减少，非常适合介观尺度或者具有一定规模的宏观尺度的研究。
不过这个“一定规模”，在分子动力学领域指的也就是100nm，最多不会超过1μm这个数量级。
如果多体的意思是继续扩大研究的尺度，那么就意味着又要增加需要研究的分子团数量，和建立DPD方法的初衷相悖……
无法解开困惑的祝兰最终决定“不耻下问”——她和林国范都不是航空工业系统内部的人，对于常浩南这个名字自然不会有什么印象。
所以在他们看来，面前这个人应该只是182厂主要负责运8除冰装置改进的年轻工程师而已。
至少目前还是这样。
“好吧，你说的多体耗散粒子动力学和我所熟悉的耗散粒子动力学之间有什么关系么，区别又在哪里？”
实际上这个时候，常浩南也刚刚把瞬间涌入自己脑子里面的知识给整理完，关于MDPD的基本原理，他也就只比坐在旁边的祝兰早了大概两分钟知道。
“最大的不同在于，MDPD对状态方程进行了改造，基于此得到了新的控制方程。”
“DPD中的保守力是一个纯排斥作用的力，其大小随着距离的增加而减小，由这样的力控制的粒子会不断地彼此远离并最终充斥整个计算空间，形成一团密度、温度等各项热力学性质均匀的物质。”
说完，常浩南从旁边拿过纸笔，写下了DPD的状态方程。
p=kT+A^2
之所以这么做并不只是为了让林国范和祝兰更容易看懂，也是为了加深常浩南自己的理解，以及顺便把MDPD的理论原理给整理下来。
“这个状态方程里的流体密度的最高次项为二次项，而用于描述液体内部压力的状态方程需要含有流体密度的三次项，故这种形式的状态方程从本质上无法数值模拟带有自由液气界面的流体系统。”
听到这里，祝兰的眼神猛地亮了起来：
尽管常浩南还并没有开始介绍什么新知识，但是他能够把到目前为止还算是前沿理论框架的DPD给讲明白，并且直接点出了其最大的问题所在，显然是真的研究过这个问题，而不是那种只学过1+1=2就想证明哥德巴赫猜想的民科，或者只凭头脑风暴就要大干快上的新手工程师。
如果说刚刚他们夫妻俩还是抱着些许居高临下的眼光，想看看如此年轻的一个工程师能说多少有价值的东西的话。
那么现在，至少已经把常浩南当做是一个可以进行平等学术交流的同行了。
旁边的林国范也是不由自主地坐直了身子：
“所以你刚刚说的新方法可以解决这个问题？”
对于侧重应用向研究的林国范来说，这件事情的意义甚至还要更大一些。
因为DPD的模拟有些过于理想化了，几乎只能被用于气态系统和流体均匀充满整个受限密闭空间的满管系统。
而现实环境中，符合这两种要求的情况属实不多，几乎所有的研究对象都在开放空间之内，并且带有自由液气界面。
“当然。”常浩南用笔在面前的纸上轻轻点了点：
“我在研究文献时发现，通过组合三次样条曲线，对 DPD中的权函数进行改进，可以得到一种能够根据距离不同自由转换吸引和排斥作用的保守力形式，这样就可以保证模型中的粒子能以一定的密度聚集在一起，从而形成类似凝聚态液滴形式的粒子团……”
“在保守力的状态方程中添加流体密度的高次项之后，就得到了MDPD的状态方程。”
常浩南说着在纸上写下了计算流程的最后一步，也就是保守力方程的改造结果：
p=kT+A^2+2Br^4^2(-c)
在完成了最后一个符号之后，他露出了一个满足的笑容，然后轻轻把笔放在一边。
“而基于它的控制方程，是可以对真实液滴进行数值模拟的。”
……
两位金城大学教授毕竟也是有真才实学的，尽管在最初面对一个未知概念时有些茫然，但还是很快抓住了其中的要点。
“只要能够计算出水滴运动轨迹和撞击特性，要得到在固体表面发生相变的过程就比较容易了。”在听懂了常浩南的解释之后，祝兰刚刚一直紧皱着的眉头也逐渐舒展了开来：
“另外，我想后面还需要确定时间迭代以及边界条件设置等一系列算法，这方面……”
显然，在见识到一种全新的动力学理论之后，她已经迫不及待地想要尝试一下其在工程实践中的应用效果了。
“小常同志。”
林国范却直接打断了妻子说到一半的话：
“后面还需要我们两个做些什么，你直接来分配工作吧。”
“MDPD的理论完善，以及具体实现过程所涉及到的算法，可以由我来完成，而飞机除冰装置的具体设计，可以交给梁总师他们。”
常浩南看着面前写满公式的几张纸缓缓说道：
“但我还想把目光放的更长远一点，而不是仅仅盯着运8这一个型号上面。”
“也就是，用这套理论，建立一个能够适应不同环境和翼型，或者不只是机翼，而是任何固体表面的积冰生长模型，这样，后来的使用者只要给出环境的特征因素和研究对象的物理建模，就可以获得对应的冰形生长过程。”
坐在对面的林国范被这样宏大的目标惊得呼吸一滞：
“伱是想要拿出一个在全世界范围内具有普适性的积冰生长预测工具？”
要知道，会受到冰害影响的远不止航空业。
电力、公路、铁路、建筑等各种领域，实际上都在为此而感到困扰。
但由于气候条件的不稳定性，一直以来都很难预测冰害发生的时间、位置和具体形式，自然也谈不上什么预先控制。
往往只能在冰害发生或者即将发生的时候，再派出大量人力去检查和维修。
不仅效率很低，也非常艰苦和危险。
而如果常浩南的野心真能实现，那无论在设计过程还是使用过程中，就都能够做到有的放矢，针对性地做出提前预防。
对于一个气象学家来说，简直是做梦都想要的东西。
“没错。”常浩南点了点头：
“当然，最开始可以不用这么激进，先处理好我国范围内的几个典型场景就好。”
“不过这里面的环境因素相当复杂，比如来流速度、液滴直径、来流水含量、环境温度等等，我对这方面的了解不多，需要由林教授您来负责研究和确定。”
刚才开挂的时候，他用几种不同的表述方法分别尝试了几次，发现如果所有的开发过程都由自己来完成，那要用的科研点数实在太多，所以最后还是选择只让系统指导自己完成其中最有挑战性和开创性的部分。
“没问题，这也正好是我所擅长的部分。”
林国范已经露出一副跃跃欲试的表情：
“另外，全国范围的工作也不是一朝一夕能完成的，很多地方都要实地考察，我可以先把秦岭地区秋冬季的环境因子确定下来，保障你们的定型工作不出问题。”
182厂所处的南郑就位于秦岭地区，并且秋冬季也是机翼结冰最高发的时段。
“呃……那再好不过了。”
刚刚常浩南说到兴头上过于放飞自我，差点忘了给运8F和运8J定型的事情已经要火烧眉毛。
也亏了林国范还记着182厂这边的需求。
“至于祝教授……”
祝兰是一个并不在计划之内的外援，所以常浩南思考了一下才继续说道：
“除了膨胀或者加热这种主动除冰手段之外，让物体表面更不容易结冰也很重要，所以我想测试一下，具有不同表面结构和粗糙度的材料，在防冰能力上具体有什么区别。”
“没问题，正好我们目前正在研究固体表面柱状和半球状微结构对液体浸润性的影响，一些思路和结果完全可以运过来。”
“很好。”常浩南站起身来，同时做了个深呼吸：
“那我们就马上开始吧！”
(本章完)
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祝兰重复了一遍这个名词，同时抬手理了一下头发。
这是她在思考时会做的一个无意识动作。
作为一个表面物理学教授，祝兰自然很早就开始接触分子动力学相关的计算模拟了。
其中自然也包括耗散粒子动力学（DPD）——一种在最近几年才被提出的、应对介观粒子运动的数值模拟方法。
但这个多体耗散粒子动力学又是什么？
DPD中的基本粒子本来就不是分子动力学中的单个原子或者分子，而是代表着一个个分子团的粗粒化粒子。
由于省去了分子动力学中对所有分子进行描述的麻烦，系统的自由度大大减少，计算量也随之呈指数级减少，非常适合介观尺度或者具有一定规模的宏观尺度的研究。
不过这个“一定规模”，在分子动力学领域指的也就是100nm，最多不会超过1μm这个数量级。
如果多体的意思是继续扩大研究的尺度，那么就意味着又要增加需要研究的分子团数量，和建立DPD方法的初衷相悖……
无法解开困惑的祝兰最终决定“不耻下问”——她和林国范都不是航空工业系统内部的人，对于常浩南这个名字自然不会有什么印象。
所以在他们看来，面前这个人应该只是182厂主要负责运8除冰装置改进的年轻工程师而已。
至少目前还是这样。
“好吧，你说的多体耗散粒子动力学和我所熟悉的耗散粒子动力学之间有什么关系么，区别又在哪里？”
实际上这个时候，常浩南也刚刚把瞬间涌入自己脑子里面的知识给整理完，关于MDPD的基本原理，他也就只比坐在旁边的祝兰早了大概两分钟知道。
“最大的不同在于，MDPD对状态方程进行了改造，基于此得到了新的控制方程。”
“DPD中的保守力是一个纯排斥作用的力，其大小随着距离的增加而减小，由这样的力控制的粒子会不断地彼此远离并最终充斥整个计算空间，形成一团密度、温度等各项热力学性质均匀的物质。”
说完，常浩南从旁边拿过纸笔，写下了DPD的状态方程。
p=kT+A^2
之所以这么做并不只是为了让林国范和祝兰更容易看懂，也是为了加深常浩南自己的理解，以及顺便把MDPD的理论原理给整理下来。
“这个状态方程里的流体密度的最高次项为二次项，而用于描述液体内部压力的状态方程需要含有流体密度的三次项，故这种形式的状态方程从本质上无法数值模拟带有自由液气界面的流体系统。”
听到这里，祝兰的眼神猛地亮了起来：
尽管常浩南还并没有开始介绍什么新知识，但是他能够把到目前为止还算是前沿理论框架的DPD给讲明白，并且直接点出了其最大的问题所在，显然是真的研究过这个问题，而不是那种只学过1+1=2就想证明哥德巴赫猜想的民科，或者只凭头脑风暴就要大干快上的新手工程师。
如果说刚刚他们夫妻俩还是抱着些许居高临下的眼光，想看看如此年轻的一个工程师能说多少有价值的东西的话。
那么现在，至少已经把常浩南当做是一个可以进行平等学术交流的同行了。
旁边的林国范也是不由自主地坐直了身子：
“所以你刚刚说的新方法可以解决这个问题？”
对于侧重应用向研究的林国范来说，这件事情的意义甚至还要更大一些。
因为DPD的模拟有些过于理想化了，几乎只能被用于气态系统和流体均匀充满整个受限密闭空间的满管系统。
而现实环境中，符合这两种要求的情况属实不多，几乎所有的研究对象都在开放空间之内，并且带有自由液气界面。
“当然。”常浩南用笔在面前的纸上轻轻点了点：
“我在研究文献时发现，通过组合三次样条曲线，对 DPD中的权函数进行改进，可以得到一种能够根据距离不同自由转换吸引和排斥作用的保守力形式，这样就可以保证模型中的粒子能以一定的密度聚集在一起，从而形成类似凝聚态液滴形式的粒子团……”
“在保守力的状态方程中添加流体密度的高次项之后，就得到了MDPD的状态方程。”
常浩南说着在纸上写下了计算流程的最后一步，也就是保守力方程的改造结果：
p=kT+A^2+2Br^4^2(-c)
在完成了最后一个符号之后，他露出了一个满足的笑容，然后轻轻把笔放在一边。
“而基于它的控制方程，是可以对真实液滴进行数值模拟的。”
……
两位金城大学教授毕竟也是有真才实学的，尽管在最初面对一个未知概念时有些茫然，但还是很快抓住了其中的要点。
“只要能够计算出水滴运动轨迹和撞击特性，要得到在固体表面发生相变的过程就比较容易了。”在听懂了常浩南的解释之后，祝兰刚刚一直紧皱着的眉头也逐渐舒展了开来：
“另外，我想后面还需要确定时间迭代以及边界条件设置等一系列算法，这方面……”
显然，在见识到一种全新的动力学理论之后，她已经迫不及待地想要尝试一下其在工程实践中的应用效果了。
“小常同志。”
林国范却直接打断了妻子说到一半的话：
“后面还需要我们两个做些什么，你直接来分配工作吧。”
“MDPD的理论完善，以及具体实现过程所涉及到的算法，可以由我来完成，而飞机除冰装置的具体设计，可以交给梁总师他们。”
常浩南看着面前写满公式的几张纸缓缓说道：
“但我还想把目光放的更长远一点，而不是仅仅盯着运8这一个型号上面。”
“也就是，用这套理论，建立一个能够适应不同环境和翼型，或者不只是机翼，而是任何固体表面的积冰生长模型，这样，后来的使用者只要给出环境的特征因素和研究对象的物理建模，就可以获得对应的冰形生长过程。”
坐在对面的林国范被这样宏大的目标惊得呼吸一滞：
“伱是想要拿出一个在全世界范围内具有普适性的积冰生长预测工具？”
要知道，会受到冰害影响的远不止航空业。
电力、公路、铁路、建筑等各种领域，实际上都在为此而感到困扰。
但由于气候条件的不稳定性，一直以来都很难预测冰害发生的时间、位置和具体形式，自然也谈不上什么预先控制。
往往只能在冰害发生或者即将发生的时候，再派出大量人力去检查和维修。
不仅效率很低，也非常艰苦和危险。
而如果常浩南的野心真能实现，那无论在设计过程还是使用过程中，就都能够做到有的放矢，针对性地做出提前预防。
对于一个气象学家来说，简直是做梦都想要的东西。
“没错。”常浩南点了点头：
“当然，最开始可以不用这么激进，先处理好我国范围内的几个典型场景就好。”
“不过这里面的环境因素相当复杂，比如来流速度、液滴直径、来流水含量、环境温度等等，我对这方面的了解不多，需要由林教授您来负责研究和确定。”
刚才开挂的时候，他用几种不同的表述方法分别尝试了几次，发现如果所有的开发过程都由自己来完成，那要用的科研点数实在太多，所以最后还是选择只让系统指导自己完成其中最有挑战性和开创性的部分。
“没问题，这也正好是我所擅长的部分。”
林国范已经露出一副跃跃欲试的表情：
“另外，全国范围的工作也不是一朝一夕能完成的，很多地方都要实地考察，我可以先把秦岭地区秋冬季的环境因子确定下来，保障你们的定型工作不出问题。”
182厂所处的南郑就位于秦岭地区，并且秋冬季也是机翼结冰最高发的时段。
“呃……那再好不过了。”
刚刚常浩南说到兴头上过于放飞自我，差点忘了给运8F和运8J定型的事情已经要火烧眉毛。
也亏了林国范还记着182厂这边的需求。
“至于祝教授……”
祝兰是一个并不在计划之内的外援，所以常浩南思考了一下才继续说道：
“除了膨胀或者加热这种主动除冰手段之外，让物体表面更不容易结冰也很重要，所以我想测试一下，具有不同表面结构和粗糙度的材料，在防冰能力上具体有什么区别。”
“没问题，正好我们目前正在研究固体表面柱状和半球状微结构对液体浸润性的影响，一些思路和结果完全可以运过来。”
“很好。”常浩南站起身来，同时做了个深呼吸：
“那我们就马上开始吧！”
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