18年不懈探寻！张阿漫教授创立气泡统一方程，解开气泡理论奥秘

近日，我国开展的大尺度气泡试验取得圆满成功，哈尔滨工程大学船舶工程学院张阿漫教授创立的气泡统一方程作为本次试验的核心理论再次得到验证。

为了用一个统一的方程描绘自然界气泡动力学的基本规律，张阿漫从研究生阶段开始研究，孜孜探寻18个春秋，终于推导出了气泡动力学统一方程。这个简洁浓缩的数学方程，解决了不同源、不同尺度和不同环境下的空化气泡、水下大尺度气泡、微纳气泡等气泡动力学特性的理论预测难题。

水下气泡试验

18年前，他立志解开气泡理论之谜

气泡在自然界广泛存在，具有力量强大、形态变幻莫测等奇妙特点，在海洋、先进制造、环境与化工、医学和生命科学等许多领域有重要价值。

水下大尺度气泡能够产生巨型海啸，高压气枪气泡是深海勘探的核心难题，空化气泡是跨介质动力学设计的关键因素，可控的小尺度气泡是前沿生命科学领域的重要载体，因此，气泡动力学是诸多领域的关键基础科学问题。

18年前，攻读研究生的张阿漫选择了水下气泡动力学方向，在做实验的过程中，他发现传统的气泡理论预测结果与物理实验之间存在较大偏差，为此，他找遍了国内外文献资料，也没有找到解决的办法。

近自由面气泡动力学特性

早在1917、1949年，诺贝尔物理学奖获得者Lord Rayleigh和著名科学家M.S. Plesset就曾建立了不可压缩流场中单气泡脉动方程，在此基础上，美国科学院院士J.B. Keller和M. Miksis于1980年推导了可压缩流场中单气泡脉动方程，这些理论在气泡动力学领域发挥了重要作用。

然而，由于气泡不是孤立的，其力学行为会受到边界效应、多气泡、流场环境、重力等许多物理因素的耦合作用，上述因素会导致气泡除了原地脉动，还存在可压缩迁移现象，百余年来，尚未有一个可同时计入上述各种复杂物理因素的气泡统一方程。因此，气泡理论这一基础科学问题长期以来仍未从根本上得到解决。

近壁面气泡动力学特性

张阿漫相信，科学的发现需要勇气和毅力，他试图建立一种能够计入上述所有物理因素的气泡统一方程，但是真正做下去的时候，才领悟到，人类探索自然规律的每一点点推进，从来都是前途未卜的漫漫征途。

这18年，他从一个在读的研究生，成长为一名年到中年的科技工作者。“人类想洞悉自然界的物理规律，常常以简洁的数学方程式展现，其优美与作用让人赞叹不已，这是可以写在科学史上值得自豪的事。”张阿漫深知解开大自然的奥秘有多难。

气泡迁移动力学特性

极致探寻从未放弃，他找到揭示气泡自然规律的高级表达

虽然十几年前张阿漫就有了创立气泡统一方程的构想和思路，但每一次都在推导到最后的时候，因为数学物理过程太过复杂而无法进行下去。

张阿漫作为科研工作者，他当然知道，人类对于科学规律的探索，都要凭借一点点运气，但更多的时候，往往是一场无疾而终的徒劳。他也知道气泡动力学理论的研究和突破是不可预期的，然而，在他看来，气泡运动是自然界最美的物理现象，十几年来，成千上万次的尝试，数不清多少次看到希望又陷入绝望，但他一直没有放弃。为了能专注于一件事，他几乎推掉了与学术无关的所有事，专注气泡统一理论探寻，夜以继日地研究气泡动力学方程。

多气泡动力学特性

工作任务急需的时候，他就在办公室放了张简易折叠床，一住就是半个月。他总是随身带着个笔记本，一有好的想法就立刻记下来，几年下来，笔记超过15万字。他的桌子上常常堆着半米多高的演算纸，用于研究气泡动力学统一理论，随时翻找。他有一个信念，能够揭示自然界内在奥秘的方程隐藏着巨大的能量，虽然影响气泡动力学的因素不计其数，但气泡统一方程一定是很简洁的数学形式，这是揭示自然规律的高级表达。

气泡群相互作用特性

2020年12月一次偶然的机会，张阿漫与李世民、崔璞、李帅、刘云龙等团队成员探讨近边界气泡动力学问题时，突然有了一个新的原创想法和灵感，他整理思路，描述出自己的想法，从最基本的数学原理出发，构造了波动方程的移动奇点基本解，计入气泡可压缩迁移效应，经过一系列严密的数学物理演算和实验求证，终于推导了能够同时计入边界效应、多气泡、环境流场、重力、迁移、可压缩性、粘性力、表面张力等物理因素和条件的具有优美数学形式的气泡统一方程，从而创立了气泡统一理论，解开了气泡理论的奥秘，自然界真是魅力无穷、妙不可言，气泡理论的表达竟然是如此优美的数学方程。

张阿漫教授在上课

气泡统一方程

气泡统一方程可预测新的物理现象

气泡统一方程以简洁浓缩的数学语言，描述了自然界气泡运动的基本规律。该理论将不同源、不同尺度和不同环境下的气泡力学行为统一在优美的数学方程中，还统一了Rayleigh-Plesset、Gilmore和Keller-Miksis等经典气泡理论。通过气泡统一方程，可在理论上更加精准地预测气泡动力学行为，不仅如此，它是可以作为指导实验的数学方程，预测新的物理现象。

例如，可通过气泡统一方程，预测多气泡/气泡群之间复杂波系的相互作用，预测到一些因现有实验精度不够高，尚未发现的新的物理现象。气泡统一方程在服务国家海洋强国战略中，尤其在水下爆炸、深海勘探、跨介质动力学等领域发挥了重要的作用。

气泡群相互作用实验验证

在探寻气泡统一方程的过程中，张阿漫教授团队取得了具有重要国际影响力的原创科研成果，形成了在国际顶尖同行之中占有一席之地的气泡动力学学科高峰方向，构建了水下气液固全耦合动力学理论模型与方法，开发了流固耦合FSLAB基础工业软件，创建了大型水下特种科研试验设施，研发了深海勘探新型低频高压气枪阵列，形成了气泡能量传递与防护新技术。研究成果在大型船舶、跨介质动力学、深海勘探等领域得到了广泛应用，获得了有关部门的积极评价和高度认可，形成了从基础理论、算法、工业软件、试验技术到服务国家战略的原始创新体系，获得了全国创新争先奖、科学探索奖、国家技术发明二等奖、国家科技进步二等奖、全球前2%顶尖科学家榜单、教育部自然科学一等奖等多个奖项。

张阿漫（左二）以第一完成人

获得了国家技术发明二等奖

在近二十年的科研生涯里，张阿漫用执着与坚守，诠释了一个科技工作者的责任与情怀。总有人认为张阿漫的科研工作繁重辛苦，他告诉记者：“其实我从来不觉得累，很幸运生长在这个伟大的时代，有机会做有重要意义，并且感兴趣的事情。我国强调要加强基础研究，基础研究是科技创新的总开关，我始终坚信，科学有险阻，苦战能过关，未来将立足本职岗位，进一步着力培养创新型人才，着力开展水下气泡动力学、流固耦合动力学领域的原创性基础研究和瓶颈技术攻关，为实现“海洋强国梦”而努力奋斗。”

重磅！哈工程“冲击毁伤特性与技术”

荣获国家技术发明奖二等奖

重磅！

哈工程张阿漫教授获批国家杰出青年科学基金

张阿漫教授参加

习近平总书记主持召开的科学家座谈会

首届科学探索奖！

哈工程张阿漫教授获选！

    哈尔滨工程大学    

—  heu19530901  —

撰文 | 金声 朱虹

制图 | 侯万龙

排版 | 乔凯 李堃 邓炜龙

编辑 | 朱虹

责编 | 霍萍

审核 | 吕冬诗 金声