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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:486

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。”

  黃奧是我校材冶學院教授,主要從事耐火材料與冶金熔體的相互作用及其模擬與調控研究,是《Journal of the Australian Ceramic Society》副主編,湖北省硅酸鹽學會常務理事、耐火材料分會理事長。在材料與冶金領域國際著名學術期刊《Corrosion Science》、《Journal of the American Ceramic Society》等發表學術論文70余篇、三大索引收錄近40篇,專著1部,授權國家發明專利22項,獲省級科學技術獎8項等。

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材料造成成本驟增,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。”爲了完善耐火材料侵蝕的模型,黃奧常常盯著電腦屏幕,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成果,需要我們充分預計實際情況進行返補,不斷修正非理想狀態。”黃奧說。

  成功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,以耐火材料長壽化、功能化和輕量化爲核心,發展冶金耐火材料設計、制備及應用的新理論、新方法和新工藝爲目標的研究體系,研究成果引起了國際國內同行的關注。

  黃奧撰寫的學術專著《鋼冶煉過程耐火材料與渣/鋼作用的數值模擬》由科學出版社出版,獲奧地利萊奧本礦業大學“Hans Theisbacher”傑出科研成果獎,並成爲2016和2018新材料國際發展趨勢高層論壇優秀青年科學家的特邀報告人、《中國材料進展》的特約撰稿人。

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材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控制的因素變化。”黃奧回憶從實驗室過渡到煉鋼廠的過程。  

    “連鑄中間包裏裝的是高溫熔鋼,一旦泄漏便難以控制。”如何在引入氣泡的同時使氣管不損壞成爲了黃奧在現場應用環節的“攔路虎”。高高的平台上,黃奧戴著遮光眼鏡對渣金液面進行實時觀測,緊盯著數據緩慢地變化,汗水一遍遍地浸濕外套。
    當連鑄進行到四五個小時時,在平台上觀測的黃奧等人突然發現吹氣裝置失靈了。設備緊急停止運轉後,待溫度一降低到安全值,黃奧等人便毫不猶豫地跳進內襯表面尚有一百多度余溫的中包爐裏測量,對産生的問題和誤差進行判斷。“一次衣服被燒著了,直接脫了就跳出來。”黃奧笑談。

   由于沒有考慮到槽的保護與時間預差對熔體的侵蝕滲透,致使氣管損壞。重新做工作,根據圖紙進行預處理,當他們帶著新材料來到現場時,卻發現包內零件機構存在不同程度的磨損,“不匹配,重改!”大家只能拿著量尺反複測量重新處理,“最長一次在現場待了三個月。”

  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。”

  在沉默中堅守崗位,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,黃奧唯有獨自承受、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,黃奧成果斐然,多次受邀國際國內行業大會作學術報告,榮獲奧地利大學“Hans Theisbacher”傑出科研成果獎、省級科學技術一等獎4項、全國高校冶金院長獎青年教師提名獎,並入選江蘇省“雙創人才”計劃和“智彙鄭州·1125聚才計劃”創新領軍人才。

跨領域學習是件難事

  黃奧研究的材料,既要承受更高溫度、更嚴重的機械破壞,也要承受更強烈化學侵蝕等複雜苛刻服役條件,光有耐火材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。”黃奧三天兩頭奔波于各種專家研討會和交流會,“除了耐火材料、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,在耐火材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,黃奧常常請教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。”

  紮根武科大成爲教師的黃奧,在投身科研之余,始終未曾忘記這一使命。“觀察很重要,現場會給予反饋,不斷積累引發思考,尋找改進點從而發現科研的樂趣。”不少學生因摸不著科研的門路而苦惱,黃教授親切以待,指導他們增長見識,盡早進入科研點滴累進。

  對于學生們的論文課題,黃奧總是很認真,有耐心。“平常的黃教授忙忙碌碌,但只要我們提出了問題,就有說不完的時間。”研究生李昇昊表示,黃教授經常找大家一起討論項目進展具體方案等事宜,每一個細節都考慮得很周到。

  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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