[返回杂论闲侃首页]·[所有跟帖]·[ 回复本帖 ] ·[热门原创] ·[繁體閱讀]·[版主管理]
拼搏人生 (一位中国大学教授的人生经历) 连载之二十八
送交者: 飞云弓长[♂★★声望品衔9★★♂] 于 2022-03-13 9:59 已读 6689 次 2 赞  

飞云弓长的个人频道


作者    飞云弓长 6park.com

第28章   研究生课题研究 6park.com

一、  国内外炉内传热研究 6park.com

高温加热设备,总称高温工业炉,如加热工业产品的工业加热炉,工业和民用锅炉,冶金熔炼炉,以及火箭发动机的燃烧室等,它们在冶金、化工、机械制造、电力、国防和民用工业部门都有重要的应用价值。 6park.com

探索高温工业炉的最佳设计,最佳加热过程,最佳热效率,以及传热的最佳控制一直是致力于炉内产品加热质量和产量的重要任务。长期以来,这些研究成了摆在工程师和科学家面前的一个重要研究课题。其中,决定高温工业炉传热中炉内的温度和热流分布的正确预示,成为搞清炉内这些最佳过程的前提和重要研究内容。 6park.com

已有的研究表明,在炉内温度超过800摄氏度的时候,影响炉内热交换的决定因素是炉内辐射换热。可见,高温工业炉内传热问题,主要是一个辐射传热问题。事实上,由于炉内辐射传热问题是及其复杂性,炉内的温度和热流分布的研究和预示,长期以来成为困扰高温工业炉内传热问题研究人员的最大难点。 6park.com

这里,让我们以炉内的一个壁面涉及的热辐射为例,说明炉内辐射传热问题的复杂性。仅对于炉内一个壁面而言,它涉及的热辐射包含如下三个方面的因素: 6park.com


该壁面对炉内其它壁面的热辐射; 6park.com


炉内其它壁面对该壁面的热辐射; 6park.com


该壁面对来自炉内其它壁面的热辐射的多重反射。
6park.com

以上这三种因素交织在一起,使得关于炉内某一个壁面的辐射热交换非常之复杂,于是,搞清炉内壁面之间辐射热交换更是十分之困难。加上炉内气体介质对壁面的热辐射,以及对来自壁面的热辐射的吸收,构成了研究炉内辐射传热问题的艰巨性。因此,从传热学问世以来,直到上世纪70年代,科学家们在致力于高温工业炉如此复杂的传热问题的研究中,都没有获得实质性的进展。 6park.com

1966年后的十年文革使中国的科研事业,包括炉内辐射传热的研究处于停滞状态。然而这段时间却是国际上科学事业快速发展的时期。1967年H.C.Hottel和A.F. Sarofim [1]出版了他们的著作“辐射传热”,提出了著名的辐射换热的区域法分析模型。他们用区域热辐射平衡方法,对炉内辐射换热进行了较为透彻的分析,从而使火焰炉内温度和热流分布的预示成为可能。1974年,F. Fitzgerald[2]发表了燃气加热炉内辐射传热的分析方法,进一步提出了区域热平衡法在连续加热炉内的温度和热流分布预示中的应用。 6park.com

辐射传热区域法分析模型的提出,使国际上辐射传热的理论和应用研究提高到一个新水平,极大地推动了炉内辐射传热研究的发展。然而,由于十年文革期间的混乱局面的影响,辐射换热的区域法的研究在国内还没有开展过,导致中国的炉内传热方面的研究处于停滞状态,和国际上先进的研究水平产生了差距。 6park.com

二、  硕士论文研究课题 6park.com

1979年,我开始做研究生课题研究的时候,中国的十年文革刚刚结束,进入改革开放时期。就在这一时刻,我开始了关于炉内辐射传热的硕士论文课题研究。 6park.com

我的研究生指导教师宁宝林老师的研究方向是炉内传热的数学模型研究。在我的研究生课程的学习开始半年之后,宁老师就把研究“火焰炉区域法辐射换热数学模型”的研究任务交给了我,作为我的硕士论文的研究课题。该课题研究的目的是用区域法研究建立炉内辐射换热数学模型,在此基础上分析计算炉内温度和热流分布,为高温工业炉的最佳供热和现代化生产服务。 6park.com

不言而喻,开展这一研究课题首先需要学习和掌握国外先进的辐射传热的区域法分析方法,在取彼之长的基础上,开展我们自己特色的研究工作。 6park.com

此时,我的研究面临一个严峻的现实:由于炉内辐射传热区域法研究在国内尚属空白,我的炉内辐射传热区域法数学模型课题研究将是一个艰巨的任务,一个难啃的硬骨头。这对于刚刚进入科学殿堂的我,无疑是一个巨大的挑战。 6park.com

我对课题的进一步分析,课题研究存在如下的难点: 6park.com

a)  
学习掌握炉内辐射传热的新的理论分析方法 - 辐射传热区域法; 6park.com

b)  
用辐射传热区域法建立炉内辐射换热数学模型; 6park.com

c)  
研究探索辐射直接交换面积的计算方法; 6park.com

d)  
正确预示计算炉内温度和热流分布。
6park.com

解决以上这些难点在解决炉内复杂的辐射传热问题中至关重要,其中,辐射直接交换面积的分析计算,这一开创想的研究是解决炉内辐射传热问题的最大的难点和关键所在。 6park.com

我知道,实践是最好的学习。我的炉内辐射换热数学模型的研究,也正是我学习掌握炉内辐射传热的新的理论分析分析方法
——辐射传热区域法的过程之一。 6park.com

在建立炉内辐射换热区域法数学模型的过程中,辐射直接交换面积涉及热辐射多重积分。辐射直接交换面积又分为三种类型,即表面区域之间,表面和气体区域之间,以及气体区域之间的热辐射多重积分。它们分别对应于四重至六重的多重积分的计算问题。这些非线性很强的热辐射多重积分,使区域间的辐射直接交换面积计算成为课题中最重要的首要研究内容。 6park.com

三、  能有几成胜算? 6park.com

“面对眼前的险隘关口,到底能有几成胜算?”我的心里犯了嘀咕。 6park.com

当年,已经36岁的我,在东北工学院读研究生已经有一年多的时间。回顾过去的岁月,自从大学本科毕业起,我已有10年的工作经历。这些年来,我做的虽然都是非学术问题,但遇到的难关也不少。古人云“功到自然成。”那就是说,只要做出不懈努力,攻克难关也就是时间的问题了。 6park.com

我想,人的岁月是一个不断遭遇和克服困难的过程,这一过程循环往复以至于无穷,使人生的阅历不断得以丰富。想到这里,我从心里发出了人生之慨。与此同时,一件件往事涌上了心头。 6park.com

我想起了1970年,我从大学本科毕业刚刚两年,为解决妻子毕业分配所造成的两地生活而辛苦奔波的情景;我想起了从1971至1973年,为了改变自己面临的专业不对口局面,要求调往急需技术人才的鞍钢设计院所走过的漫漫长路;我想起了一年前的1978年,我的仓促的考研准备和难忘的考研经历。其中,更使我记忆犹新的是我不久前的考研准备和奋斗过程。 6park.com

我想起在我准备报考研究生的时候,由于妻子的反对,我遗憾地错过了三个月的考研复习时间,以至于当我最后报名的时候,距离研究生考试只剩下两个月的时间了,这使我的考研复习准备时间更加捉襟见肘了。我想起,在我报考研究生的时候,我已经有十年的时间没有摸过大学课本了。那时,大学课本中我曾学过的知识,竟使我感到如此之陌生,以至于连高等数学中的入门知识,简单的微分和积分概念,和相应的简单的微分,积分公式,我都忘得几乎一乾二净了。 6park.com

然而,经过我的刻苦努力,复习中的难题也都一个个地解决了。我的考研的简短复习时间中的冲刺也已证明,人的学习潜力是很大的,只要肯努力,学习中出现的任何困难都是可以克服的。 6park.com

我的这些经历原来就是我克服一道道难关的历程。我的人生经验也使我认识到:在困难面前只要不气馁,不退缩,坚持走下去,困难总是可以克服的。而且和困难抗争的人,也会受到命运之神的眷顾。 6park.com

我认为“科学研究也是一个再学习的过程。研究中遇到的困难,只要认真学习和探索,同样应该被克服。”想到这里,我对我的毕业论文课题研究中遇到的这样或那样的困难也就不感到畏惧了。 6park.com

四、                
攻克辐射直接交换面积计算难点 6park.com

千里之行,始于足下。我感到,只有立刻行动起来才能有的放矢地,一个个克服眼前的困难。 6park.com

与此同时,我的研究生导师宁老师在和我的谈话中也告诉我:“解决当前的问题分两步走:1. 分析问题的困难所在;2. 思考和制定解决问题的方案。”我对此深以为然。 6park.com

通过分析问题,我把探索计算辐射直接交换面积的热辐射的多重积分的方法作为我的研究课题的第一步。在这一问题的探索中,我采用多重积分的级数求和的方法,把非线性的多重积分化成级数和的形式,并在此基础上
对辐射直接交换面积进行了大量的求值计算。 6park.com

任意两个区域间的辐射直接交换面积的求值,都是一个复杂的计算过程。这样,要实现不同的直接交换面积的大量计算,将要花费难以想象长的时间。我感到,在保证计算结果的准确性的前提下,使辐射直接交换面积的计算得以简化,是我的课题研究中面临的紧迫任务。 6park.com

对此,我陷入了长长的思索当中。 6park.com

正当我为辐射直接交换面积的简化计算冥思苦想,却不得其门而入之际,我的研究生同学尚毅的一句话提醒了我。 6park.com

“搞出个诱导公式来求值多好哇!”正在我为辐射直接交换面积的简化计算冥思苦想之际,站在一旁的尚毅同学若有所思地对我说。 6park.com

尚毅同学是自动控制系研究生,哈尔滨军事工程学院1966届本科毕业,当时正在做有关线性规划的研究生毕业论文课题研究。 6park.com

 “对呀!探索了这么长的时间,就是应该搞出个计算公式来了!这么长时间我怎么就没有想到呢?还是遇事者迷呀!如果能搞出诱导公式,不仅可以省去繁琐无序的大量计算,并且具有解决辐射直接交换面积计算的重要的研究价值。”尚毅同学的话使我顿时恍然大悟。 6park.com

于是,我把我的研究重心转入探索辐射直接交换面积中计算辐射多重积分的诱导公式的理论推导中。 6park.com

功夫果然不负有心人。我的苦心探索终于没有白费,终于汇出了计算
辐射直接交换面积的简化计算公式。 6park.com

该公式的计算原理是:首先将区域的单元面积和单元体逐次细分,依次计算细分后的
单元面积和单元体间的辐射直接交换面积。单元面积和单元体细分的程度以它们之间的平均射线行程为标准。单元之间平均射线行程相对较短的地方,其单元就加细细分;单元之间平均射线行程相对较长的地方,其单元就不必加细细分。这样的细分原则使得单元的细分程度得以有规律地实现,又能保证计算的精度。由此,计算辐射直接交换面积的迭代公式便形成了。而且,该公式的计算可以使用电子计算机用迭代的方式进行,以保证辐射直接交换面积的迅速而准确的数值计算。 6park.com

我把这一研究进展报告了导师宁老师。宁老师看到我汇出的计算
辐射直接交换面积的迭代诱导公式,大喜过望,对我说“这个新的东西很好,以前还没有想过。” 6park.com

“应该给这个公式赋予一个新的名字。”宁老师对我说。 6park.com

宁老师沉吟良久,忽然一拍大腿说
“那就把它叫做计算辐射直接交换面积的逐次局部再分公式!” 6park.com

在宁老师看来,这个诱导公式所使用的叠代运算计算方法是很有特色的发明,尤其是它使用单元面和单元体的逐次局部再分方法即简化了运算过程,又保证了计算的准确性。 6park.com

于是,计算辐射直接交换面积的逐次局部再分公式便由此得名。 6park.com

至此,新中国成立已经三十年。一直在高等学校研究炉内传热的宁宝林老师认为:炉内的传热问题的深入研究,炉内传热的集中表现,炉内温度和热流分布的预示计算,这一展示炉内辐射传热研究水平的集大成,在国内一直没有获得突破性的进展。此时,他的研究生提出的计算辐射直接交换面积的诱导公式,使炉内的温度和热流分布的预示计算成为可能。这一公式的提出是我国炉内辐射传热研究的一个里程碑式的进展。 6park.com

五、  向教研室老师们做汇报 6park.com

“你把这个公式给教研室的老师们讲一讲。”身为工业炉热工教研室主任的宁老师对我说。 6park.com

不久以后,教研室主任宁老师通知我到教研室向全体老师介绍我推导的计算辐射直接交换面积的逐次局部再分公式。 6park.com

那是我第一次登上东北工学院的讲台。而且,这一天登上的这个讲台非同一般,因为我所面对的是听取我的科研汇报的教研室全体老师,我所讲述的是我刚刚迈入科学殿堂后第一个可喜的科研进展。当时我还不知道,此后不久我会以教师的身份登上这个大学讲台,并将在这里贡献出我人生的很大一部分时光。 6park.com

教研室的老师们对我推导的计算辐射直接交换面积的逐次局部再分公式报以热烈的反应。由于长期的封闭状态,国内炉内辐射传热的研究一直处于停顿状态,以至于炉内传热热流场和炉内温度场的符合理论和有实际应用价值的计算未能实现。此时,我推导的这一公式,使这些难题的解决成为可能。关于影响炉内传热的辐射直接交换面积的概念,老师们也都是头一次听到的。计算辐射直接交换面积的逐次局部再分公式在应用上也是很新颖实用的。这一公式的提出,无疑是研究炉内辐射传热问题的一个突破性的进展。 6park.com

由于计算辐射直接交换面积的诱导公式的核心方法是迭代方法,可以用于计算机迭代计算,于是,
我的研究生课题中计算辐射直接交换面积的一大难点就这样被解决了。这一研究突破使刚刚进入科学殿堂的我感到:科研中不管遇到多大的困难,只要不失去信心,坚持努力钻研,总会找到解决的办法。      
6park.com

由此,我也深深领悟到,“坚持”这个词听起来尽管并不陌生,但是要做到却很难。要做到这一点,遇到困难时不轻言放弃是至关重要的。 6park.com

我的这一研究进展也使我感到,基础理论知识,尤其是数学,是解决科学研究中的难题的一种无形的力量。此时我又一次想起不久前在研究生的课堂上所学到的一系列应用数学课的系统的基础理论知识。我深深地感到:这些知识对于我目前承担的研究生课题研究,正在起着弥足珍贵的作用。 6park.com

六、 
学位论文研究进展 6park.com

随着炉内区域法数学模型的建立,以及辐射直接交换面积的数值计算的突破性进展,我下一步论文研究的工作便是电子计算机上的大量计算了。 6park.com

原来在文革刚刚结束的年代,电子计算机是一件很稀有的东西。当时,东北工学院计算中心还没有建立,个人手里的计算机PC机还是十几年以后的事情。计算工作需要去学校外面有计算机的单位去完成。而且,当时的计算机的信息传递是用穿孔的纸带来完成,用起来很不方便。然而,使用电子计算机毕竟是数值计算上的突破。我当前的计算工作,已经不是文革前我的大学时代所用的计算尺,文革中我在设计院中所用的计算器能够胜任的。 6park.com

为了写出计算机程序,我自学了用于计算机程序设计语言。使用电子计算机计算也并不是一件轻而易举的,往往是一件繁琐的工作。为了计算程序的通过,需要反复修改程序,纠正计算程序中的每一个错误。这是一个十分细致的过程,来不得半点急躁,需要耐心,并在计算过程中经常压住内心的急躁之火,不断对程序语言进行纠错和调试。事实证明,如若获得最后一次的成功计算,往往会经历99次失败的过程。 6park.com

时间转眼到了1981年。这一年,我的研究生研究课题就要完成了。我在我的毕业论文“火焰炉段法(区域法)预示计算数学模型”毕业论文[3]的研究中,实现了如下的研究进展: 6park.com

建立了完整的炉内辐射换热区域法数学模型; 6park.com

提出了计算辐射直接交换面积的逐次局部再分公式,实现了辐射直接交换面积的计算机计算。 6park.com

对炉内辐射换热区域法数学模型进行了计算机求解,搞清了炉内的辐射传热,实现了炉内温度和热流分布的预示。 6park.com

建立了一座实验炉。并且在实验炉上测定了在预定条件下的炉内温度和热流分布。 6park.com

用理论预示计算结果进行了实验验证炉内温度和热流分布的实验测定结果,发现理论预示计算和实验测定的结果实现了很好的吻合。 6park.com

七、 
关于积分求值问题的歧见 6park.com

毕业论文完成后,我的研究生毕业论文答辩的时刻就要来临了。在毕业论文交付答辩之前,毕业论文需要交付教研室德高望重的老师预审。老师预审的反映很好,对论文的评价也很高。然而,任何事情都有例外。唯独任世铮老师对论文提出了不同意见。这使我出乎预料。于是,我特地前去向任老师请教。 6park.com

任老师认为“论文中的辐射直接交换面积的多重积分的数值计算会出现偏差,因此不应该用数值计算方法。既然辐射直接交换面积包含多重积分,就应该对多重积分直接积分求值来完成计算。” 6park.com

我对任老师的话很不理解。于是我对任老师说“辐射直接交换面积包含的多重积分不能直接求值, 这是因为它的非线性所造成的。” 6park.com

见任老师没有说话,于是, 我请教任老师 “您认为如何积分求值呢?” 6park.com

“把不能直接积分的辐射因子提到积分符号外面就是了。”任老师轻松地说。 6park.com

我吃惊地发现任老师的建议太不负责任了。我想,“按任老师的意思,如果不能直接积分的话,只要把不能积分的辐射因子设定为常数,提到积分号外面,然后积分求值就可以进行了。可是这样的建议太大胆了,因为这样做在积分上是不被允许的,是违背数学定律的。” 6park.com

于是,我对任老师说“这样做积分运算在数学上是不应该的呀!” 6park.com

听到我的斩钉截铁的回答,任老师无话可说。 6park.com

此时,面对告诉我如此离谱的积分方法的教研室德高望重的长者,我不禁感慨,不由得想起郭沫若曾经说过:“科学是讲求实际的。科学是老老实实的学问,来不得半点虚假,需要付出艰巨的劳动。” 6park.com

我清楚地认识到,面对如此工程实践背景很强的探索炉内辐射传热,炉内温度和热流分布的研究课题,理论计算的结果与实际存在些微的偏差是不可避免的。否则,就如确定“热电偶对炉膛内辐射换热遮蔽系数”,以及“数兔子尾巴上到底有几根毛”一样的一事无成。而在此请况下,数值计算是最逼近实际结果的,最现实的数学计算方法。君不见,现代科技,包括火箭飞行、宇航等等无不都是用数值计算方法逼近实际飞行状态和位置,然后通过测量结果修正计算的偏差。如果按任老先生的看法,排斥数值计算,科技进步是不可能实现的,工业、国防和科技现代化是不可能完成的。 6park.com

八、 
论文答辩 6park.com

论文答辩的时间到了。硕士论文答辩是我三年来的研究生学习的总汇报。三年来,我可以说是日复一日地把自己投入到学习之中。我在学位论文研究中,感到题目难度大,时间紧,任务重,于是在学期之间放假探家的时间都集中精力投入到课题研究之中,全部毕业论文都是凭功夫中磨出来的。如今的论文答辩,就是检验这些功夫的效果了。 6park.com

对于在答辩中需要回答答辩委员们和老师们提出的问题,我也做了一些准备。其中,我最担心的是任老师一定会提出一些问题。至于论文中提出什么问题,我并不担心,担心的是任老师会提出像审查论文时提出的那些刁钻古怪令人无语的问题。无论如何,那就兵来将挡,水来土掩吧! 6park.com

结果证明我的担心是多余的,整个论文答辩过程是无惊无险。任老师在讨论的时候不仅没有提出问题,而且根本没有发言,却使我不免有些意外。 6park.com

我的研究生毕业论文受到了肯定,这从论文评审人,指导老师,以及答辩委员会的评语中可以得到证实[图28.1-4]。 6park.com

论文答辩中,两位论文评审人都对我的毕业论文给予了肯定,打出的分数都是优秀。任世铮老师是论文评审人之一。任老师曾经对论文表示过不同意见。但是他对论文做了仔细的推敲之后,彻底改变了态度,对论文最终给出了较高的评价。尤其是另一位评审人齐家典工程师对论文给出了相当高度的评价。指导老师宁宝林老师对我的论文研究工作很满意,对我的论文也给出了很高的评价,打了优秀成绩。在论文评审人和导师的论文评语和分数的基础上,答辩委员会对我的毕业论文给出了优秀成绩。于是,在我的生命中,我进入科学殿堂的第一个研究课题“火焰炉区域法辐射换热数学模型”,随着我的研究生毕业论文答辩的圆满成功而告结束。研究生毕业论文答辩成绩(见图28-1–28-4) 6park.com


















6park.com


6park.com

28-1   研究生毕业论文答辩委员会评语 6park.com



28-2   研究生毕业论文评阅人评语 6park.com

  6park.com



6park.com

28-3   研究生毕业论文评阅人评语 6park.com

  6park.com



6park.com

28-4   研究生导师对毕业论文的评语 6park.com

  6park.com

 
6park.com

参考文献 6park.com

1. H. C. Hottel and A. F.
Sarofim , Radiative transfer, McGraw‐Hill
Book Company, New York, 1967, pp 52 pages 6park.com

2.  Fitzgerald, F., and Sheridan, A. T.,
Prediction of temperature and heat transfer distribution in gas-fired
pusher-reheeting furnaces, journal of the Institute of Fuel 47, 390, 21-27
(Mar. 1974). 6park.com

3. 尚德义,“火焰炉段法(区域法)预示计算数学模型”硕士学位论文,1981年2月

评分完成:已经给 飞云弓长 加上 100 银元!

喜欢飞云弓长朋友的这个贴子的话, 请点这里投票,“赞”助支持!
[举报反馈]·[ 飞云弓长的个人频道 ]·[-->>参与评论回复]·[用户前期主贴]·[手机扫描浏览分享]·[返回杂论闲侃首页]
帖子内容是网友自行贴上分享,如果您认为其中内容违规或者侵犯了您的权益,请与我们联系,我们核实后会第一时间删除。

所有跟帖:        ( 主贴楼主有权删除不文明回复,拉黑不受欢迎的用户 )


用户名:密码:[--注册ID--]

标 题:

粗体 斜体 下划线 居中 插入图片插入图片 插入Flash插入Flash动画


     图片上传  Youtube代码器  预览辅助

手机扫描进入,浏览分享更畅快!

楼主本栏目热帖推荐:

>>>>查看更多楼主社区动态...






[ 留园条例 ] [ 广告服务 ] [ 联系我们 ] [ 个人帐户 ] [ 版主申请 ] [ Contact us ]