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大蘑菇
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【化工前沿知识系列之三】化学工程中的复杂系统！
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向化工的虫友们介绍一个前言——化学工程中的复杂系统 主要论述见附件PDF 下边是李静海院士的一篇文章，讲述该领域的科研发展历程。摘自中科院武汉分院《创新与实践》一刊 《长期积累是偶然突破的基础》 李 静 海 李静海，化学工程专家，中国科学院院士。1956年9月生于山西省静乐县，1982年毕业于哈尔滨工业大学热能工程专业，1984年获该校硕士学位，1987年在中国科学院化工冶金研究所（现过程工程研究所）获博士学位。现为中国科学院过程工程研究所研究员、所长，兼任国家“863”计划能源领域专家委员会主任，国际期刊Chemical Engineering Science国际顾问和Powder Technology编委。 主要从事颗粒流体两相系统量化的研究。获国家自然科学奖二等奖、三等奖各1项，获中国科学院技术发明奖一等奖1项。 无论认识科学规律还是开发新的技术，都必须经过一个逐步积累和不断完善的过程。任何新思想，一开始往往是朦胧的，只有经过长期研究和不断修正才能逐步清晰、升华和成熟；科学上的已知和未知虽然只一线之隔，但两者之间的跨越需要有充分的准备才能实现。科学研究中的偶然突破是重要的，但长期积累是偶然突破的基础和前提。急功近利是科学研究之大忌。在提倡创新的同时，更应鼓励十年磨一剑的坚忍和毅力。当然，也应随时审视科研方向和目标是否明确。回想我们近20年来致力于建立能量最小多尺度（EMMS）方法的历程，是一个从朦胧的想法逐步发展成为一个可用于工业设备流型计算方法的过程，我对此颇有体会。 自然界中气、液态物质统称流体，固态物质在物理和化学加工过程中大多以颗粒的形态存在，并在流体中进行。因此颗粒流体系统是自然界中极为普遍的现象，并广泛应用于石油、化工。能源、冶金、材料、制药、生物技术等过程工程领域。虽然均匀的颗粒流体两相流已有较为成熟的理论，但工程中的两相流大多具有不均匀的结构，属复杂系统，而人们对复杂系统的认识还很肤浅，很多基本问题远未解决，更没有形成统一的理论。因此，目前颗粒流体两相反应器的设计主要靠经验，其模拟和放大是科学界和工程界的难题。1984年我师从郭慕孙院土，开始颗粒流体系统中非均匀的多尺度结构的研究，经历过偶然突破的喜悦，更体会到长期积累的重要。 1984～1991年为产生朦胧认识的阶段。根据实验和分析，我们认识到，用传统的平均方法无法揭示非均匀颗粒流体系统中结构形成的机理，一方面需要分析结构中不同尺度的作用，更为重要的是必须认识不同尺度作用之间的关系。因此，这种多尺度结构除应满足质量和动量守恒条件以外，还必须满足约束不同尺度之间关系的稳定性条件。但如何建立稳定性条件，没有现成理论可以借鉴，文献上的一些假设，并未考虑颗粒与流体的相互影响。针对这些问题，我们通过分析颗粒流体的相互作用，强调了颗粒和流体各自运动的相互影响，初步提出了稳定性条件，建立了能量最小多尺度作用（EMMS，即Energy－Minimization Multi—Scale）模型。严格说来，限于当时的认识水平，当时对稳定性的机理并不十分清楚，表述也不够确切，包括模型的名称也不够合理，但分析多尺度作用及其各尺度之间相互关系的控制因素这一思想却成为以后一系列研究的核心。由此可见，选择正确方向，抓住事物的本质是科研工作的关键。 1992～1996年为认识逐步清晰和深化的阶段。从1992年开始，在第一阶段工作的基础上，逐步认识到该稳定性条件的内在机制是颗粒和流体两者的相互协调，它制约了不同尺度之间的关系，据此提出两者相对控制能力的改变可导致结构的突变，并建立了突变临界条件，解决了工程中计算突变的问题。这一进展加深了对稳定性机理的认识，并为研究其他系统的稳定性提供了重要的启示。后来，又认识到这种协调关系可以表述为颗粒和流体两者各自的极值趋势互取条件极值，为这一思想的推广应用创造了条件。这一看似简单的结论，从萌发概念到明确的表述，花费了十多年的时间，说明对科学规律的认识，需要一个不断思考，不断实践，逐步升华的过程。在还未将稳定性条件与控制机制之间的协调很好联系起来之前，由于受传统认识的影响，我们提出的稳定性条件受到过一些质疑。虽然这些质疑都来源于传统的认识，但促使我们进一步探索稳定性的机理，导致了对协调重要性的认识和更为明确的表述。因此，学术界坦诚的讨论，对深化科学规律的认识极为重要，一方面要敢于坚持真理，另一方面要深入分析别人提出的问题，用道理说服别人。 1996—1999年为认识进一步升华阶段，也是实现稳定性条件的物理表述并扩展其应用的阶段。在上述思想的启发下，我们探索了在其他系统中两种控制机制协调的问题，认识到流体流动中惯性和粘性也属互取条件极值的问题。对这一问题的思考始于1988年完成EMMS模型之后，但由于当时对控制机制之间的协调的规律认识还不够深入，所以久无进展；另一方面由于我们数学和物理知识的欠缺，在表达这种协调时遇到困难。1997年，我在德国访问3个月时间，在图书馆系统地查找资料，偶然找到了我们需要的一个公式，同时对控制机制协调也产生了新的认识。回国后，与研究生一起研究。经过一年时间，问题得到解决。这一方面说明学科交叉的重要性，在某一学科困难的问题，在另一学科也许是常识；另一方面也说明，只有充分的积累和准备，才能捕捉到机遇。所有复杂系统都受两种以上控制机制的支配，两种不同的系统都符合控制机制协调的同一规律，预示了这一规律具有一定的共性。这一进展鼓励我们开始考虑EMMS方法在其他领域的推广应用。从个别现象归纳共性规律应当是复杂性科学的重要策略，也应当是科研工作者的重要素质。 从2000年开始，进入新的发展阶段。该方法又进一步应用于气—液—固三相系统，并将以前的工作集成为一个可用于计算工业规模反应器中复杂流动结构的软件包，得到初步应用。现在我们正在研究油／水乳液中亲水亲油两种机制的协调、化学反应系统中反应和扩散的协调，以求更进一步归纳共性规律，并致力于普适的多尺度方法的建立和多尺度方法与其他方法的结合。 在近20年的科研过程中，我们从一个朦胧的想法，建立初步模型，逐步深化认识，克服种种困难，解决遇到的各种各样的问题和困惑，最终形成一个较为系统的多尺度方法，包括有关软件，并开始探索其在其他领域的应用。这期间，我们曾有过久无进展的茫然，也有过不被理解的苦恼，甚至有过放弃继续深入的念头，当然更值得回忆的是在困境中突然成功的喜悦。特别是最近几年，多尺度方法得到许多领域的关注，这对我们是一个激励，也是新的挑战。人们往往注重的是科学研究最终的成功，却常常忽视成功背后不懈的劳动，而这些劳动比成功更为重要，因为只有持之以恒、锲而不舍的精神，才能将一个朦胧的新思想发展成为一个完整的理论或技术。 [ Last edited by atongmumu on 2006-10-31 at 22:10 ] |
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