作者   飞云弓长 6park.com
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第37章   科学基金的申请 6park.com
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一、  确定研究课题 6park.com
在1986年出國之前，我的研究方向是火焰爐內輻射傳熱研究。1987年9月，我在德國克勞斯塔大學从事的工作是液体膜状沸腾的研究。在這一年的國外研究工作中，我對流體邊界層理論有了自己的心得，探索出處理流體邊界層問題的新方法-邊界層流體速度場最優相似轉換方法，使探索流體變物性對對流傳熱的耦合影響成为可能。該方法已成为需要引用流函數和群論的Faknar-Skan變換[1]的更好的替代方法[2,3]。 6park.com
回国后，我将研究课题确定为“流体的物性变化对无相变及有相变的自然对流传热的影响研究”，把对流边界层传热作为研究手段，旨在深入探索流体自然对流传热变物性的影响。研究课题涉及到三个比较重要的关键词，它们是：对流传热，流体边界层，变物性影响。 6park.com
二、  流体边界层的重要性 6park.com
 “流体边界层”这一关键词是指在流体对流传热研究中，要从流体边界层这一微观物理现象入手，旨在搞清实际流体对流传热这一宏观现象。这是为什么呢？ 6park.com
回顾流体力学和对流传热学的发展历史，不难发现流体边界层这一重要的物理现象对流体力学和传热学的重要性。而流体边界层理论的问世，才使流体边界层引起科学界的重视，也使对流传热学的研究发生了革命性的变化。 6park.com
说到流体边界层的重要性，还要从流体力学的发展历史和边界层理论的问世说起。 6park.com
流体力学这门科学发展到十九世纪末叶，开始沿着两个截然不同的方向推进。一个方向是理论流体动力学，它是从无摩擦、无粘性流体的Euler（欧拉）运动方程出发而发展起来的，并达到了高度完善的程度。然而不幸的是，这种所谓经典流体动力学的结果与实验结果却有明显的矛盾。在这种情况下，一些工程师们便在大量的实验数据的基础上，提出和发展了一门高度经验性的流体力学学科-水力学，来解决在工业技术迅速发展中所出现的上述问题。 6park.com
比较水力学与理论流体动力学这两个流体力学的分支我们看到，由于在研究方法上大不相同，而导致它们的研究结果大相径庭。二十世纪初，在理论流体动力学和水力学的基础上，德国哥廷根大学的力学家Ludwig
Prandtl（普朗特）教授，借助于理论研究和几个简单的实验，证明了高雷诺数绕固体，紧贴物面的流体可以分成两个区域：一是物体附近很薄的一层边界层，又称流动边界层，或附面层，其中粘性摩擦起着主要的作用；二是该层以外的其余区域，这里摩擦可以忽略不计。这就是Ludwig
Prandtl（普朗特）教授对流体流动所做出的天才构想。1904年，他把这一构想公之于世
[4] ，形成了当时风靡于流体力学界著名的Ludwig Prandtl（普朗特）流体边界层理论。  6park.com
普朗特的流体边界层理论精确地分析了实际问题中所出现的粘性流动，成功地对粘性流动的重要意义给出了物理上透彻的解释，发现了理论流体动力学的缺陷，从而，找出了传统的理论流体动力学研究结果与源于实验的水力学的研究结果存在明显矛盾的原因。普朗特的流体边界层理论的奇妙之处在于：把上述两个背道而驰的流体动力学分支统一起来，建立起理论和实验之间的紧密联系，促进了流体力学的异常成功和快速发展。这是Ludwig
Prandtl（普朗特）对边界层理论做出的重大贡献。  6park.com
一个多世纪以来，随着流体力学的巨大进步，Ludwig Prandtl（普朗特）的流体边界层理论也获得了迅速的发展。在这期间出现了大量的论述流体边界层理论发展的论文和著作，其中最知名的著作当属Schlichting（史里希廷）所著的Boundary-Layer Theory （边界层理论）[5]。自从1955年该书的英文版问世以来，至2017年已经再版到第九版。足见Ludwig Prandtl（普朗特）的边界层理论影响之巨。随着流体边界层理论的问世和发展，流体边界层研究就成为近代流体力学一个重要研究分支，而普朗特本人理所当然地成为近代流体力学的奠基人，被当代科学家誉为诺贝尔奖的无冕之王。他虽然未能来到中国，但却为中国培养了着名流体力学专家、北京航空学院的创建人之一陆士嘉教授（陆士嘉是普朗特培养的唯一女学生、也是他的关门弟子）。他与中国更深关系在于，他的亲传弟子、被誉为20世纪最伟大的航天工程学家Von Karman（冯.卡门）教授为中国培养了钱学森、钱伟长、郭永怀三位大师级科学家。 6park.com
三、  边界层理论对对流传热学的影响 6park.com
在Ludwig
Prandtl（普朗特）流体边界层理论问世之前，对流传热的研究基于传统的无粘性流体的Euler（欧拉）运动方程，研究结果与实验结果存在很大的矛盾。直至Ludwig Prandtl（普朗特）流体边界层理论问世以来，对流传热学的研究才得到飞速发展和长足进步。 6park.com
流体边界层理论对于对流传热学的影响之所以如此巨大，这是因为它揭示流体边界层在壁面附近流动的剧烈变化及其规律，披露了流体边界层这一自然现象的真实存在，并进一步反映出对流传热这一宏观现象的机理和微观本质。因此，对于对流传热深入而严格的研究，从边界层的流动和传热分析入手是一个合理和最佳的选择。 6park.com
换一个角度出发，我们还可以发现一个有趣的现象：流体边界层是流体力学和对流传热学中广泛存在的物理现象。这意味着，流体边界层的研究是流体力学和对流传热学的交叉学科。随着现代科学的长足进步，科学领域的有识之士越来越认为，重大的科学成果往往出现在不同学科的交叉点上。也就是说，流体边界层的研究，这一流体力学和对流传热学的交叉学科，可以作为对流传热学研究成果的源泉。 6park.com
这一新的研究课题，使我的研究重点从辐射传热转到对流传热的轨道上来。回想起来，在一年前我出发去德国克劳斯塔大学做研究学者之前，我未尝料到这一点。然而，这一刚刚确定的新的研究课题，在我后来的长期研究生涯中，流体边界层理论在我的对流传热领域研究中获得了充分的发展，于是我也便和流体边界层和膜传热结下了不解之缘。其中也体现在我后来陆续发表的5部关于边界层和膜流动传热研究的英文科学著作 [6-10] 中，这是后话。 6park.com
四、  流体变物性对对流传热的影响 6park.com
影响流体对流传热的流体物理性质包括密度、粘度、导热系数和比热等。在常压下，这些物理性质都与温度相关。那么，为什么考虑流体自然对流传热的变物性影响研究如此受到我的重视呢？这是因为，考虑变物性影响的对流传热研究，是实现流体对流传热研究的实际应用价值的必要条件。 6park.com
自从Ludwig
Prandtl（普朗特）流体边界层理论问世以来，对于自然对流，在边界层流体物理性质的处理中，长期以来采用Boussinesq
近似。 6park.com
Boussinesq 近似是这样规定的：除了流体边界层动量方程的浮力项中的密度考虑随温度的变化，所有的物理性质都采用常物性。而且，其物理性质取自边界层平均温度，即流体主流和壁面温度平均值。
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然而，流体边界层的厚度非常之薄，常常在一个毫米以下。而且在这一个薄层内，流体介质的温度一下子从壁面的温度变化到流体的主流温度。可想而知，薄薄的边界层内温度的变化是多么剧烈。由于流体变物性的作用，边界层内各点介质的物性不同。因此，Boussinesq 近似就会产生很大的传热偏差。我们知道，对流传热率取决于贴壁流体介质的温度梯度，在这种情况下，Boussinesq 近似的有效性就受到了质疑。而且，随着温差（即壁面温度和流体主流温度的差）的增大，Boussinesq 近似所产生的传热预示偏差就会越大，以至于其可靠性就越来越难以被容忍[11] 。鉴于工程上有意义的问题往往涉及到大温差，因此，严格来说，Boussinesq
近似只有理论意义，缺乏实际价值。因此，只有考虑流体变物性的对流传热研究，才具有实际应用价值。 6park.com
鉴于考虑流体变物性的研究的应用价值，在我的新的研究课题的规划中，我计划把变物性影响研究作为流体边界层传热分析中不可缺少的一环。这就是说，对于流体对流传热，我将采取流体边界层分析方法，进行深入的探索。研究中着眼于流体变物性对对流传热的耦合影响，以求在传热学研究中获得新的进展和实际应用价值。 6park.com
鉴于流体变物性对对流传热的重要影响，国际上许多学者已经开始或者正在从事这方面的研究，他们的研究也在不断地取得新的进展。然而，展望未来，这一方向的研究还有巨大的发展空间和很长的路要走。我也力争把流体变物性的研究和它对对流传热的影响紧密地结合起来，旨在获得新的研究成果。 6park.com
五、  研究计划 6park.com
常言道，良好的开端是成功的一半。 6park.com
要想这一研究课题取得成功，那么就需要在研究工作开始之前，制定一个周密细致的研究计划，以便可以沿着这个研究方向坚定、有序地开展下去。 6park.com
我在研究计划中把这一方向的研究分为理论研究和实验研究两部分，理论研究包括如下的四项内容： 6park.com
1. 考虑变物性影响的实际气体自然对流传热研究；  6park.com
2. 考虑变物性影响的实际液体自然对流传热研究；  6park.com
3. 考虑变物性影响的液体自然对流膜状沸腾传热传质研究；  6park.com
4. 考虑变物性影响的蒸汽自然对流膜状凝结传热传质研究。 6park.com
看来，在理论研究中，每项研究都包含有考虑变物性影响的研究内容。这就是说，考虑变物性影响的研究是我坚持实际流体自然对流传热这一研究方向的核心内容。 6park.com
对比上述4项理论研究可以发现，每一项研究都构成一个独立的研究领域。然而，如果把整个研究看作一个大的整体，我还是把第1和2项 对实际气体、液体的对流传热研究，看作为第3、4项膜沸腾和膜凝结传热传质研究的基础阶段，而把第3、4项研究看作是第1、2项研究的集大成。 6park.com
选定了研究方向，我自信：只要做足准备工作，做好1、2项基础研究，研究中持之以恒，一点一滴，一步一步地积累研究成果，则3、4项的膜状沸腾和凝结传热传质研究的难题便有希望得以解决。 6park.com
实验研究包括： 6park.com
5. 大温差下气体自然对流边界层速度场的实验测量； 6park.com
6. 大温差下液体自然对流边界层速度场的实验测量。 6park.com
上述实验研究的目的，是验证理论研究结果的可靠性。 6park.com
六、  申请自然科学基金 6park.com
要想做好科学研究，研究经费必须提前到位。为自己制定的科研方向筹措研究经费，我决定先去校科研处走一遭。 6park.com
1987年的东北大学科研处和它后来的摊子相比，工作人员少得多了。由于没有像后来的科研处设立那么多的科室，运作上也就显得更为灵巧精悍。我来到校科研处说明来意，打听申请科研经费事宜。我被告知科研处下属的科研科周湘玲科长负责此事，于是我直接去科研科找周科长面谈。 6park.com
来到科研科，看到一位40多岁的女同志（当时国内人们之间还亲切地以同志称呼）正在工作，她就是周科长，据说是刚从部队转业的。 6park.com
此时，屋子里已经有好几位老师，周科长正和一位老师谈话。不用说，谈的内容都是科研方面的。这位周科长说话很诚恳，办事很干练。 6park.com
轮到我谈话时，我简短说明来意，然后开门见山地问周科长 “想询问一下有什么科研项目可以申请。” 6park.com
“我建议你申报一下国家自然科学基金项目”
周科长知道我正在从事的研究方向和我所做的前期研究工作后，对我提出建议。 6park.com
她的话音未落，便迅速取出一份国家自然科学基金申请表格交给我，请我回去填写，并告诉我一个星期内把申请表填写完毕，并请系主任签字批准，然后交回科研处。 6park.com
根据我回国后早已拟定妥当的研究方向，我可算是有备而来。我以“有相变及无相变的自然对流传热变物性影响的研究”为题，填写了国家自然科学基金申请表。填好表后，我很快找系主任签了字，把完整的申请材料交还给校科研处。 6park.com
由于每年一度的国家自然科学基金项目的评审工作将在来年的年初结束，为了给刚刚回国的我解决燃眉之急，周科长以校科研处的名义，资助我5000元人民币作为我回国后科研启动经费。如今，我再一次感谢校科研处的这一支持，它使我得以解除刚刚回国后一段时间科研经费的短缺的燃眉之急。 6park.com
七、  双喜临门 6park.com
然而，我申请的国家自然科学基金在评审过程中不是很顺利。我提出自然基金课题申请几个月以后，去了一趟国家自然科学基金委。当时，我已经开始在清华大学攻读博士学位，就利用在清华大学学习时间，抽空到国家自然科学基金委了解情况。在那里，我第一次面见能源学科主任李素芬女士。 6park.com
李素芬女士是中国科技大学1965届毕业生，比我早两届从大学毕业。大家在见面时都尊称她为李老师。她告诉我：“今年报上来的自然科学基金申请课题，经过一段时间专家评审和筛选，发现你的申请课题有一定的竞争力。但由于国家自然科学基金资助的名额限制，国家的改革开放和经济发展刚刚起步，国家投放在自然科学基金上的经费有限，基金课题的评选也受到国家经济发展的制约，许多很不错的课题都不见得能评上。所以，对于你的申请课题的评选也说不上十分乐观。对此，要提前有个思想准备。” 6park.com
听了她介绍的国家自然科学基金课题的评选之难，听得我一楞一楞的。显然，她无非就是告诉我，我不要对国家自然科学基金的评选结果抱太大的希望。 6park.com
又过了两个月的时间，评选结果出来了。我于1988年申请的 “有相变及无相变的流体自然对流变物性的影响研究”课题，获得批准立项，成为1989年度中国国家自然科学基金委员会（以下简称国家自然科学基金委）资助的国家级科研项目。此前，我被清华大学研究生院批准，不脱产地攻读该校博士学位已有半年的时间。 6park.com
我自然对评审结果感到非常高兴。长时间以来，对评选结果的不确定性的焦虑感一扫而光。尤其是，我的申请课题在让我感到不是很有希望的情况下，能得以起死回生，使我感到喜出望外。 6park.com
静下心来我才察觉，李素芬女士当时说的话也许是放了一个不大不小的烟幕弹。 6park.com
“也许这就是所谓的领导艺术吧！”
我想。对于李素芬女士，我有一种感觉，仿佛这是一位心计较重，擅长技巧之人。 6park.com
我于不久前开始不脱产攻读清华大学的博士学位，眼前又有刚刚获得令人瞩目的中国自然科学基金课题项目的资助。这两件事一扫我在克劳斯塔大学回国后，在热能系经历的提职风波给我带来的心理阴霾，令人欣慰。 6park.com
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参考文献 6park.com
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1. V.M. Falkner and S.W. Skan, Some Approximate Solutions of the
Boundary Layer  E quations, Phil. Mag,
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Transfer, Vol.33, No.7, pp.1387-1395, 1990. 6park.com
3. D. Y. Shang and B. X. Wang, Effect of variable
thermophysical properties on laminar free convection of polyatomic gas, Int. J.
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4. L.
Prandtl, Über Die Flussigkeitsbewegung bei Sehr Kleiner Reibung, Proc. 3d
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5. H. Schlichting ，K. Gersten，Boundary-Layer Theory，Springer，9 Ed.，2017. 6park.com
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7. D.Y. Shang,
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8. D.Y. Shang, " Free
Convection Film Flows and Heat Transfer - Models of Laminar Free Convection
with Phase Change for Heat and Mass Transfer", Series (book) of Heat and
Mass Transfer, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, NewYork, 2nd ed., 535
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9. D.Y. Shang, L.C. Zhong,
“Heat transfer of laminar mixed convection if liquid”, Series (book) of Heat
and Mass Transfer, Springer-Verlag, Switzerland, 1st ed., 226 p. 2016. 6park.com
10. D.Y. Shang, L.C.
Zhong, “Heat transfer due to laminar natural convection of nanofluids”, Springer-Verlag, Switzerland, 1st ed., 202 p. 2019. 6park.com
11.D.Y. Shang and B.X. Wang., The deviation of heat
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variable thermophysical properties, Warme-und Stoffubertragung, 28, 33-36,
1993. 6park.com