黄奥:数值模拟让高温“可见”

作者:方芳 郭泊含编辑:新闻中心发布时间:2019-07-20浏览次数:76

记者方芳 郭泊含

  周末的清晨,推开黄奥教授办公室的大门,满满一柜子的学科杂志、书刊等资料层层叠叠地摆放在桌案。黄奥坐在电脑桌前目不转睛地看着,不断敲击着键盘,“科研和学习一样,都需要不断累积。”

  黄奥是我校材冶学院教授,主要从事耐火材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、耐火材料分会理事长。在材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。

数值模拟让高温可见

  走进黄奥团队实验室,夯实的大铁架将空间分成两块,一侧的储物箱密密麻麻摆成“小山包”,各式各样的实验仪器与设备摆成一列。

  高温难“见”,高温难“现”,是进行高温实验的两大困难。炽热的钢水被不停搅拌着,高温和强烈的辐射往往让人难以直接观察,而一遍又一遍的现场实验浪费大量材料造成成本骤增,实验周期变得漫长,怎么办?

  “条件不允许我们在现场一直做实验。”黄奥毫不畏惧,“要跟进时代,学会通过数学建模和数值计算改变现状。通过计算机构建方程组的形式来描述物理化学过程的变化,做出的模型可以不断完善使用,无需反复到现场去试验。”

  建立数学模型、确定边界条件、构建几何模型,黄奥坐在计算机前不断敲击着键盘。庞大的计算量让数值模拟和修正过程变得复杂,“往往一个较为完善的模型建立需要至少三到五年时间。”

  “做好的模型总认为很好,但一经实验验证就会有很大误差。”为了完善耐火材料侵蚀的模型,黄奥常常盯着电脑屏幕,如老僧入定般,一坐就是一天。修改,实验,再修改,再实验,当模拟结果得到很好证实时,前后花了整整五年。

  计算机的模拟结果通常需要反复验算,黄奥带着团队在实验室,看着实验仪器上的红色数字闪闪跳动着,为了减小误差,一毫一克的用量都尽心以待,“误差大则说明模型不合理,需要不断优化。”

  从传热过程到热损失,从流体动力学到能量守恒,大量偏微分方程组的计算不容出错。“可能一连几年都没有成果,需要我们充分预计实际情况进行返补,不断修正非理想状态。”黄奥说。

  成功总是青睐勤奋专注的人,黄奥确立了以数值模拟为重要手段,以耐火材料长寿化、功能化和轻量化为核心,发展冶金耐火材料设计、制备及应用的新理论、新方法和新工艺为目标的研究体系,研究成果引起了国际国内同行的关注。

  黄奥撰写的学术专著《钢冶炼过程耐火材料与渣/钢作用的数值模拟》由科学出版社出版,获奥地利莱奥本矿业大学“Hans Theisbacher”杰出科研成果奖,并成为2016和2018新材料国际发展趋势高层论坛优秀青年科学家的特邀报告人、《中国材料进展》的特约撰稿人。

平凡中有意外之喜 

  “克服困难很有成就感,而现场的困难一辈子都研究不完。”盛夏,炼钢厂内机器的轰鸣声嗡嗡作响,黄奥及其团队带着实验室研发的新型功能性耐火材料一刻不停歇地做现场实验。

  “实验室里是模拟的理想化状态,到了现场需要协调和评估许多难以控制的因素变化。”黄奥回忆从实验室过渡到炼钢厂的过程。  

    “连铸中间包里装的是高温熔钢,一旦泄漏便难以控制。”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,汗水一遍遍地浸湿外套。
    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,黄奥等人便毫不犹豫地跳进内衬表面尚有一百多度余温的中包炉里测量,对产生的问题和误差进行判断。“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保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,根据图纸进行预处理,当他们带着新材料来到现场时,却发现包内零件机构存在不同程度的磨损,“不匹配,重改!”大家只能拿着量尺反复测量重新处理,“最长一次在现场待了三个月。”

  恶劣的观测环境并没有使黄奥退却,为了在工业试验中及时准确地拿到第一手数据,增强实验室与现场的反馈交流,黄奥和团队始终站在科研一线,“这一站至少就是七八个小时,工作持续三十多个小时也是很正常的事儿。”

  在沉默中坚守岗位,在黑暗中踽踽前行,是科研不变的旋律。由于试验现场偏远,黄奥往往骑车前往,一遇上暴雨天,为按时赶到,只能艰难前行。“有一次伞被打飞过,到了现场就开始发烧。”为了不影响实验进度,黄奥唯有独自承受、调整。

  回忆十多年来的科研经历,黄奥笑谈:“磨练到现在才发觉,科研其实就是一条‘平凡之路’,平凡中有意外之喜。”

  “精金百炼,钢浇铁铸”,这是材冶学院的院训,更是黄奥心中的“指明灯”,存在夕阳产业,但是绝无夕阳技术,怀揣着矢志不渝的科研心,有高潮,有低谷,精益求精,砥志研思。

  近年,黄奥成果斐然,多次受邀国际国内行业大会作学术报告,荣获奥地利大学“Hans Theisbacher”杰出科研成果奖、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。

跨领域学习是件难事

  黄奥研究的材料,既要承受更高温度、更严重的机械破坏,也要承受更强烈化学侵蚀等复杂苛刻服役条件,光有耐火材料知识是远远不够的。

  “如今研究的领域交叉性较强,跨领域学习是一件困难事。”黄奥三天两头奔波于各种专家研讨会和交流会,“除了耐火材料、冶金相关知识甚至是计算机编程都需要去学习,有关的研究进展每时每刻都要去关注。”

  为快速提升自己,黄奥自修冶金传输原理,翻阅大量关于冶金过程数值模拟的书,学习Ansys等商业软件的教程,并参加UNITECR等多个高水平研讨会。

  奥地利莱奥本矿业大学的陶研所主任Harmuth教授,在耐火材料热力学行为和模拟等领域具有较高的造诣。遇到知识瓶颈时,黄奥常常请教Harmuth教授,同时也会向法国巴黎高科矿业学院的Michel教授咨询问题。

  “几乎每天都要加班,忙起来通宵也是有的。”坐在黄奥办公桌对面的张美杰教授同样跨领域学习和研究,“黄老师经常出去开会交流,他认真、刻苦、努力。”

  深入炼钢一线,是十几年如一日质朴的科研心,更是代代材冶人前进发展式的传承。曾任职武汉科技大学校长的汪厚植是黄奥的“领路人”。谈起恩师的教诲,黄奥饱含真情,所有的细节都刻骨铭心。

  付绿平老师回忆他博士时期的研究,黄教授对他的指导了很多,“我们反复查阅文献,构建反应模型,期间来回修正及验证了很多遍,黄教授对科研的态度很严谨,不容出丝毫错误。”

  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,不断积累引发思考,寻找改进点从而发现科研的乐趣。”不少学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。

  对于学生们的论文课题,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。”研究生李昇昊表示,黄教授经常找大家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。

  谈及对待科研工作和生活的态度,黄奥总结:“为人谨慎、处事低调、追求真理、弘扬自信、教学育人、默默奉献。”


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