【科研一線】黃奧:數值模擬讓高溫“可見”

發布者:新聞中心發布時間:2019-07-20浏覽次數:1922

記者方芳 郭泊含

  周末的清晨,推開黃奧教授辦公室的大門,滿滿一櫃子的學科雜志、書刊等資料層層疊疊地擺放在桌案。黃奧坐在電腦桌前目不轉睛地看著,不斷敲擊著鍵盤,“科研和學習一樣,都需要不斷累積。”

  黄奥是我校材冶学院教授,主要从事耐火质料与冶金熔体的相互作用及其模拟与调控研究,是《Journal of the Australian Ceramic Society》副主编,湖北省硅酸盐学会常务理事、耐火质料分会理事长。在质料与冶金领域国际著名学术期刊《Corrosion Science》、《Journal of the American Ceramic Society》等发表学术论文70余篇、三大索引收录近40篇,专著1部,授权国家发明专利22项,获省级科学技术奖8项等。

數值模擬讓高溫可見

  走進黃奧團隊實驗室,夯實的大鐵架將空間分成兩塊,一側的儲物箱密密麻麻擺成“小山包”,各式各樣的實驗儀器與設備擺成一列。

  高溫難“見”,高溫難“現”,是進行高溫實驗的兩大困難。熾熱的鋼水被不停攪拌著,高溫和強烈的輻射往往讓人難以直接觀察,而一遍又一遍的現場實驗浪費大量质料造成成本驟增,實驗周期變得漫長,怎麽辦?

  “條件不允許我們在現場一直做實驗。”黃奧毫不畏懼,“要跟進時代,學會通過數學建模和數值計算改變現狀。通過計算機構建方程組的形式來描述物理化學過程的變化,做出的模型可以不斷完善使用,無需反複到現場去試驗。”

  建立數學模型、確定邊界條件、構建幾何模型,黃奧坐在計算機前不斷敲擊著鍵盤。龐大的計算量讓數值模擬和修正過程變得複雜,“往往一個較爲完善的模型建立需要至少三到五年時間。”

  “做好的模型總認爲很好,但一經實驗驗證就會有很大誤差。”爲了完善耐火质料侵蝕的模型,黃奧经常盯著電腦屏幕,如老僧入定般,一坐就是一天。修改,實驗,再修改,再實驗,當模擬結果得到很好證實時,前後花了整整五年。

  計算機的模擬結果通常需要反複驗算,黃奧帶著團隊在實驗室,看著實驗儀器上的紅色數字閃閃跳動著,爲了減小誤差,一毫一克的用量都盡心以待,“誤差大則說明模型不合理,需要不斷優化。”

  從傳熱過程到熱損失,從流體動力學到能量守恒,大量偏微分方程組的計算不容出錯。“可能一連幾年都沒有结果,需要我們充实預計實際情況進行返補,不斷修正非理想狀態。”黃奧說。

  乐成總是青睐勤奮專注的人,黃奧確立了以數值模擬爲重要手段,以耐火质料長壽化、功能化和輕量化爲核心,發展冶金耐火质料設計、制備及應用的新理論、新方法和新工藝爲目標的研究體系,研究结果引起了國際國內同行的關注。

  黄奥撰写的学术专著《钢冶炼过程耐火质料与渣/钢作用的数值模拟》由科学出书社出书,获奥地利莱奥本矿业大学“Hans Theisbacher”杰出科研结果奖,并成为2016和2018新质料国际进展趋势高层论坛优秀青年科学家的特邀陈诉人、《中国质料进展》的特约撰稿人。

平凡中有意外之喜 

  “克服困難很有成就感,而現場的困難一輩子都研究不完。”盛夏,煉鋼廠內機器的轟鳴聲嗡嗡作響,黃奧及其團隊帶著實驗室研發的新型功能性耐火质料一刻不停歇地做現場實驗。

  “實驗室裏是模擬的理想化狀態,到了現場需要協調和評估許多難以利用的因素變化。”黃奧回憶從實驗室過渡到煉鋼廠的過程。  

    “连铸中间包里装的是高温熔钢,一旦泄漏便难以利用。”如何在引入气泡的同时使气管不损坏成为了黄奥在现场应用环节的“拦路虎”。高高的平台上,黄奥戴着遮光眼镜对渣金液面进行实时观测,紧盯着数据缓慢地变化,汗水一遍各处浸湿外套。
    当连铸进行到四五个小时时,在平台上观测的黄奥等人突然发现吹气装置失灵了。设备紧急停止运转后,待温度一降低到安全值,黄奥等人便坚决果断地跳进内衬外貌尚有一百多度余温的中包炉里丈量,对产生的问题和误差进行推断。“一次衣服被烧着了,直接脱了就跳出来。”黄奥笑谈。

   由于没有考虑到槽的掩护与时间预差对熔体的侵蚀渗透,致使气管损坏。重新做工作,根据图纸进行预处置,当他们带着新质料来到现场时,却发现包内零件机构存在差异水平的磨损,“不匹配,重改!”各人只能拿着量尺反复丈量重新处置,“最长一次在现场待了三个月。”

  惡劣的觀測環境並沒有使黃奧退卻,爲了在工業試驗中及時准確地拿到第一手數據,增強實驗室與現場的反饋交流,黃奧和團隊始終站在科研一線,“這一站至少就是七八個小時,工作持續三十多個小時也是很正常的事兒。”

  在沈默中堅守崗位,在黑暗中踽踽前行,是科研不變的旋律。由于試驗現場偏遠,黃奧往往騎車前往,一遇上暴雨天,爲按時趕到,只能艱難前行。“有一次傘被打飛過,到了現場就開始發燒。”爲了不影響實驗進度,黃奧唯有獨自蒙受、調整。

  回憶十多年來的科研經曆,黃奧笑談:“磨練到現在才發覺,科研其實就是一條‘平凡之路’,平凡中有意外之喜。”

  “精金百煉,鋼澆鐵鑄”,這是材冶學院的院訓,更是黃奧心中的“指明燈”,存在夕陽産業,但是絕無夕陽技術,懷揣著矢志不渝的科研心,有高潮,有低谷,精益求精,砥志研思。

  近年,黄奥结果斐然,多次受邀国际国内行业大会作学术陈诉,荣获奥地利大学“Hans Theisbacher”杰出科研结果奖、省级科学技术一等奖4项、全国高校冶金院长奖青年教师提名奖,并入选江苏省“双创人才”计划和“智汇郑州·1125聚才计划”创新领军人才。

跨領域學習是件難事

  黃奧研究的质料,既要蒙受更高溫度、更嚴重的機械破壞,也要蒙受更強烈化學侵蝕等複雜苛刻服役條件,光有耐火质料知識是遠遠不夠的。

  “如今研究的領域交叉性較強,跨領域學習是一件困難事。”黃奧三天兩頭奔忙于各種專家研討會和交流會,“除了耐火质料、冶金相關知識甚至是計算機編程都需要去學習,有關的研究進展每時每刻都要去關注。”

  爲快速提升自己,黃奧自修冶金傳輸原理,翻閱大量關于冶金過程數值模擬的書,學習Ansys等商業軟件的教程,並參加UNITECR等多個高水平研討會。

  奧地利萊奧本礦業大學的陶研所主任Harmuth教授,在耐火质料熱力學行爲和模擬等領域具有較高的造詣。遇到知識瓶頸時,黃奧经常請教Harmuth教授,同時也會向法國巴黎高科礦業學院的Michel教授咨詢問題。

  “幾乎每天都要加班,忙起來通宵也是有的。”坐在黃奧辦公桌對面的張美傑教授同樣跨領域學習和研究,“黃老師經常出去開會交流,他認真、刻苦、努力。”

  深入煉鋼一線,是十幾年如一日質樸的科研心,更是代代材冶人前進發展式的傳承。曾任職武漢科技大學校長的汪厚植是黃奧的“領路人”。談起恩師的教誨,黃奧飽含真情,所有的細節都刻骨銘心。

  付綠平老師回憶他博士時期的研究,黃教授對他的指導了很多,“我們反複查閱文獻,構建反應模型,期間來回修正及驗證了很多遍,黃教授對科研的態度很嚴謹,不容出絲毫錯誤。”

  扎根武科大成为教师的黄奥,在投身科研之余,始终未曾忘记这一使命。“观察很重要,现场会给予反馈,不停积存引发思考,寻找改进点从而发现科研的乐趣。”不少學生因摸不着科研的门路而苦恼,黄教授亲切以待,指导他们增长见识,尽早进入科研点滴累进。

  对于學生们的论文课题,黄奥总是很认真,有耐心。“平常的黄教授忙忙碌碌,但只要我们提出了问题,就有说不完的时间。”研究生李昇昊体现,黄教授经常找各人一起讨论项目进展具体方案等事宜,每一个细节都考虑得很周到。

  談及對待科研工作和生活的態度,黃奧總結:“爲人謹慎、處事低調、追求真理、弘揚自信、教學育人、默默奉獻。”


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