"3、2、1!"
随着口令发出，巨大的爆炸激起雪白的浪花，水下大规模的高压气泡释放出强大的压力波。
——这是今年6月在中国某试验场的一次成功实验。本实验以业内统一的气泡方程“张方程”为指导，找出了气泡高效传递能量的机理，为大型船舶的防护设计提供了依据。
水下专用试验设施的建设以统一的气泡方程为指导，该方程呈现在石刻上。统一气泡方程由哈尔滨工程大学船舶工程学院教授张阿曼创立，于今年3月正式发表在国际流体力学杂志《流体物理》上。它用简洁优美的数学方程描述了自然界中气泡运动的基本规律，解决了气泡动力学理论未解之谜。
"他得到了‘张半岳’的称号. "
气泡广泛存在于自然界中，大大小小，看似普通，却蕴含着巨大的神秘和力量。大规模的气泡可以产生巨大的海啸，而小规模的气泡可以将药物输送到目标器官。控制和利用泡沫是百年来学者们不懈的追求。
早在1917年和1949年，诺贝尔物理学奖获得者瑞利和普莱塞特等人就建立了不可压缩流场中的单气泡脉动方程，但它只预言了理想状态下的气泡运动规律。1980年，美国科学院院士凯勒等科学家推导出可压缩流场中的单气泡脉动方程，因其更接近气泡的自然规律而被广泛应用。
气泡运动受成千上万的因素影响，如何准确探索气泡运动规律？
2005年，在哈尔滨工程大学读博的张阿曼在研究水下大尺度气泡的动力学行为时，发现经典气泡方程的理论预测结果与物理实验仍有较大偏差。为了找出原因，张阿满一头扎进了实验室。
“他常说‘工作就是休息’，半夜1点睡，早上6点起。有时候灵感来了，在实验室住了半个多月，就有了‘张半月’的称号。”哈尔滨工程大学教授郭俊向科技日报记者回忆道。
十几年来，张阿满加深了对泡沫的理解，逐渐洞察到以往方程的局限性。他告诉记者:“气泡在水中不仅会原地脉动，还会受到边界、多气泡、重力、环境流场等物理因素的严重影响，发生可压缩的迁移运动。为了更准确地探索其运动规律，需要了解可压缩流场中气泡的迁移效应，这也是最大的难点。”
张阿满通过大量的实验和计算分析，找出了复杂条件下气泡系列运动的机理和规律，并有了建立气泡统一方程的初步设想。
“既然找不到，那就造一个吧！”
几十年来，气泡领域的科学家希望通过数学公式来解释气泡运动的物理现象，将所有影响气泡运动的复杂物理因素统一到一个方程中。他们一直在努力，但一直没有突破。
2020年之前，张阿曼也在其他方程的基础上不断修正，以期逼近泡沫的真实表达，但总是事与愿违。
张阿满决定另辟蹊径，创立自己的气泡动力学方程！
为了在理论上同时考虑气泡脉动、迁移和流场的可压缩性，需要使用波动方程移动奇点的基本解，但在已发表的文献中没有答案。“没有一个基本的解决方案，就相当于盖房子没有砖，开门没有钥匙。”张阿满做了一个大胆的决定。“既然找不到，那就造一个吧！”
张阿曼坚信，虽然影响气泡动力学的因素数不胜数，但统一的气泡方程一定是非常简单的数学形式，是揭示自然规律的高级表达。随身带着笔记本，一有好主意就记下来，相关笔记超过15万字。
2020年，张阿满在和团队成员讨论边界附近的气泡运动时，突然有了一个独到的想法:“运动点源的基本解可以和无限不动点源的基本解叠加吗？”基于这一思想，他先后构造了运动点源和偶极子的基本解。
然而，当他以为自己即将登顶时，一位会计发现，一个气泡方程的迁移部分对可压缩项多普勒效应的考虑有偏差，导致后面的推导需要全部推翻。
“星光不问路人，时间有回报。”张阿满没有气馁，他很快调整好了状态。此后不久，他推导出了一个简单、漂亮、对称、效率和质量更高的方程，仿佛是“我在梦里看到多少次泡泡的统一方程”。
杜伊斯堡-埃森大学气泡动力学专家赫曼特·萨加尔(Hemmant seguer)认为，“统一气泡方程是继瑞利-普莱塞特方程(1917，1949)和凯勒方程(1980)之后，气泡理论领域的一项划时代的开创性工作”。中科院力学所研究员王义桅认为，“这一方面为程可为深化气泡机制研究提供了重要的新思路和新理论”。
“它在许多领域具有重要的理论和应用价值”
“泡沫是不可预测的，往往有四两磅重，通过意想不到的独创性释放出巨大的能量。”张阿满说。
气泡的统一方程不仅可以在理论上更准确地预测气泡的动力学行为，而且可以作为一个数学方程来指导实验，预测新的物理现象和规律。
“该方程摆脱了传统方程的限制，是气泡理论的重大突破和里程碑式的工作，在船舶、海洋、机械、医学、生命科学等诸多领域具有重要的理论和应用价值。”业内权威专家季斌教授说。
高压气枪阵列就像猎人手中的猎枪，用于深海勘探。长期以来，高压气枪都是进口的，不仅价格昂贵，而且核心技术闭塞。
在近期的深海探测实验中，我国自主研发的高压气枪，在物探船的牵引下，呈现出统一气泡方程精确计算的阵列。高压气枪阵列准确地向海底发出压力波。通过对反弹反射波的分析，实验者可以探测到海底是否有可燃冰、石油等珍贵的海洋资源。
在张阿曼看来，高压气枪阵列的核心原理本质上是气泡群的脉动和迁移。有了统一的气泡方程，我国不仅可以自主研制出在许多方面性能优于国外产品的高压气枪，还可以获得技术人员过去难以获得的最理想的气枪阵列，还可以通过反演算法进行精确计算。
目前，哈尔滨工程大学正在设计研发一种新型低频大容量高压气枪阵列，用于超深海探测。“低频气枪意味着可以获得高精度的反射波信号，探测得更深更远。”张阿满介绍。
党的二十大报告对加快实施创新驱动发展战略作出重要部署，强调要加强基础研究，突出原创性。
"基础研究是技术创新的总开关."展望未来，张阿满坚定地说，“我将进一步以培养创新人才为重点，以原创基础研究和瓶颈攻关为重点，为实现海洋强国梦而努力奋斗！”
来源:科技日报，文中图片由受访者提供。
编辑:刘一阳
审计:朱莉
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