流控振荡器巧治黄河淤沙——北京华特克林科技有限公司创始人孙厚钧教授

2011-06-20

孙厚钧教授是著名水利专家，他一辈子研究水力学，三十余年来，取得了多项研究成果，获得6项发明专利，2次获得国家发明奖，被评为北京市有突出贡献科技专家和劳动模范。他退休后创办的北京华特克林科技有限公司在水环境治理方面有很强的技术优势。2011年，年届八旬的孙厚钧凭借研究项目“大功率流体自控振荡射流技术”获得北京市发明专利奖与北京科技发明奖。

求学清华

出生于二十世纪三十年代苏北徐州农村的孙厚钧，因徐州地处咸丰五年改道前的黄河故道，自幼耳闻黄河洪灾带来的巨大灾害，很早便萌生了忧患意识。

孙厚钧考入清华后，因入学考试语文、英文、化学等成绩优异，系主任指导其选课时，准予免修国文、英文、化学，使他集中精力学好高等数学和物理学，为后来的科学研究打下了踏实基础。而作为梁思成先生主持的营建系的学生，孙厚钧却选修了理学院物理专业的物理课，当时听课人只有一、二十人，他经常与任课老师何成钧切磋质疑，直到三十年后的1980年，为采用偏振面正交的两束激光构建干涉图型而受到精密光学专业师生反对时，他还与何教授讨论并得到了何教授的支持。他在清华的高等数学任课老师则为清华大学原教务长、数学系主任郑洞荪教授，郑教授讲课深入浅出、生动形象，他在讲授函数的二阶导数为负值则函数的曲线将下凹时，形象地把掌心向下四指弯曲，从而在学生们心中深刻地留下了“函数二阶导数为负时，曲线下凹，中间顶点为极大值”的概念。四十年后，孙厚钧针对基于水流含沙量超过某临界值后流水所需承担的悬浮功之二阶导数出现负值这一数学特性，敏锐地判断出这就是黄河龙门段渭河临潼华县段高含沙水流“揭河底”这一异常怪现象的数学物理内因。河流含沙量超过了悬浮力极大值的对应点后，混浊的河流不仅不会把所含泥沙甩在河床上造成淤积，反而会从河床上攫夺走更多泥沙，从而把“河底揭掉”。因为按下凹曲线的特点，河水所含泥沙更多了，它所需付出的悬浮力反而会更小了，按照物理过程走阻抗最小的路线原则，河流当然会倾向于挟运更多泥沙。

孙厚钧入学后一个月在物理实验室就看到指导老师冯康（后来成为我国计算数学的权威）在实验桌上亲自动手用电烙铁焊接仪器的电子线路。二年级时指导老师吕应三（后来成为我国著名的援外水利专家）讲完河流速度分布曲线后，当场下到校门前的河水中，用测速仪器实际显示垂线上的各点的流速值。受老师们的影响，孙厚钧能自己动手焊接激光偏振测速仪的差功电子放大器，并取得成功。而在流体自控振荡射流装备的试制中他更是直接动手画图并用自己制成的钢丝锯加工振荡器腔体和部件。某一种型号的流控振荡器，从概念轮廓、塑料模型、数控铣削至制成不锈钢成品，往往多次循环改进，每一个环节都是孙厚钧与技师共同动手完成的。

立志黄河减淤

1969年清华大学水利系建立三门峡办学基地，他直接接触到了黄河上下游实际情况，看到在历史上以富饶著称的八百里秦川，受累于三门峡水库淤积而灾害频繁。渭河口8.8米长的河槽全被淤塞，以致主流逐年改道，影响胜利油田的开采，而在冀鲁豫平原上，泥沙堆积的河床高出两岸城镇乡村，形成悬河，每年洪讯期对亿万人民生命财产构成直接威胁。根据现场查勘及检索文献的结果，清华大学三门峡基地师生开展了多次治黄方略大讨论。经多方推敲比较，达成共识：无论是高坝拦泥，抑或是束水攻沙，都难免在壅水段因水缓沙停而形成淤积；唯有加大黄河输沙能力才可以降低河床高程，解除洪灾威胁，而且提高了灌渠（或管）的输沙能力，还能把具有肥效的泥沙送进农田得淤灌之利。提高河流竖向紊动流速会加强其物质交换能力，减免泥沙淤积。但是，用什么手段来提高流水竖向分速呢？

正是这个难题促使孙厚钧钻研探索了四十年，从1970年到2010年他先后任职于三所国内高校和多所英美日的大学与科研机构，经过深入的理论分析和反复的水力振荡试验，终于取得突波性成果，设计成功流控振荡器。在此期间，由于孙厚钧在数学力学电子学方面的造诣，很多人曾劝其转行计算机软件开发，有国外公司也青睐他的传感器工艺（激光测速，数字测力），但他仍感到水利与泥沙治理研究的意义更重大，因此把这看似清苦的研究坚持下来了，最终修成正果。

发明流控振荡器

孙厚钧研制的流体自控振荡射流装置无机械损耗，它虽然也是钢铁构成的固体设备，但它是按照自控学和电子振荡器的逻辑，将输出流体中的一小部分反馈回输入口，借助动量定律，以小驭大，驱动主流方向切换，周而复始实现射流交替地从两个出口射出，形成双稳态振荡。尽管水在设备孔道中快速而反复变向地流动，但固体设备各部件却没有相对运动，它既不靠喷灌头那样的弹簧棘轮擒纵机构，也无需阀门活瓣启闭。所以固体部件无机械摩擦与碰撞，无断裂损伤之虞。该设备已安装在内蒙宁夏电站与北京张坊净水工程中，均历多年运转而完好无损。

他研制成的流控振荡器既可减免泥沙淤积又可抑制蓝藻滋长，这源于双稳态输出的第一态向上的射流，第二态向下的射流，诱生了河湖水体中起伏波动，当水团涌起时，水团涌起速度Vw和重于水的泥沙的沉速Vs迎头相接，相对速度Vru=（Vw+Vs），而当水团俯冲时，水沙间之相对速度Vrd=(Vw-Vs)，整个起伏过程τ时间内，水团给予泥沙的上托冲量为2ρCdVwVsτ。泥沙从水团竖向脉动中会获得向上的动量增量，从而减少泥沙下沉速度减免淤积。同一个竖向脉冲流，对于轻于水而具有上浮速度Vb的蓝藻而言，则将获得向下的动量增量2ρCdVwVbτ,从而下拖蓝藻阻止其聚集于水表，因之降低其由光合作用获得能量的机会，也就抑制了蓝藻的滋长。相比于洒硫酸铜等化学药品虽然可以获得短期效果，但洒化学药品往往同时导致鱼虾死亡，水生植物也会在洒药后枯萎，国外也有洒硫酸铜后饮用水会使人致癌的报道。而待蓝藻长大后再打捞则会因为蓝藻打捞与压榨过程中藻细胞破碎后，其藻毒流出并溶于湖水中，仍会危害饮用者的健康，例如瑞士曾报道，牛羊喝了溶有藻毒的水后大量死亡。因此使用流体自控振荡射流在蓝藻滋长发育的初萌时期切断其营养源，使其无法滋生蔓延是一种有效的方法。

与此同时，使用流控振荡射流提高河流输沙能力，以微小的电功率在竖向激扰脉动流速去增大整个河流的水流能量的输沙能力。以1977年7月发生在渭河华县河段的洪水过程为例，假如在该洪水过程中用300KW的流控振荡射流发生器连续工作一个小时，就可把渭河华县10km河段输沙能力由Qs=3.6×1000000T/hour提高为Qs=10.8×1000000T/hour，这是因为振荡射流扰动河流产生的竖向波动可近似地认为是有势波，即波能量传播过程中耗散极少，或波幅衰减很少。例如印尼地震后受扰动产生的海啸传到斯里兰卡仍有很大破坏力，即近似于有势波。孙厚钧采用电子学中的调控理念，电子管栅极微调——微伏，即可使板极电流增减10毫安，从而使板极电压升降1伏或2伏。可以用太阳能电流供给振荡射流技术装备，而振荡射流技术装备从原理上讲是可靠而长寿的，可以生成振荡射流全年长期激扰河流，从而达到有效减少淤泥的目的。

后记

1971年秋季，孙厚钧沿洛惠渠考察时，曾目睹陕西农民非常辛苦地在灌区末级渠系中手持杈耙搅拌泥水驱赶浓泥进入田地以收淤地增肥之效。1991年他在山东看到渠堤两侧淤积的沙丘，连绵不断，而渠下游无棣，沾化等县的农民都不辞辛苦的赶大车来装载沙子，以便参入其粘质田地，提高产量。这也鞭策孙厚钧坚持研制完善振荡射流搅拌输沙装备，以满足农民的迫切需要。目前我国正在加大农田水利建设，孙厚钧也希望有生之年能看到流控振荡射流搅拌输沙装备稳定可靠地为广大灌区农民服务，经过渠道或管道把具有肥效的黄河水送入农田，淤灌增产。