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王坚红:我校第一个大型工科实验室
2019年10月29日    来源 :     作者:     发布 : boda    

王坚红(1956- ),教授,博士生导师。南京气象学院本科、硕士毕业。1992年-1993年英国爱丁堡大学气象系访问学者。1999年获英国爱丁堡大学理工学院海洋流体动力学博士学位。1998年-2002英国伦敦帝国理工大学博士后研究员,2002年-2005年为加拿大不列颠哥伦比亚大学博士后研究员、 研究项目经理。2005年8月回国任教。

2005年7月我从国外回国,受聘担任大气科学学院教授及海洋科学系的系主任, 并承担了中央与地方共建项目:风波流水槽建设和流体力学教学实验中心建设。这是我们学校第一次建设此类大型工科实验设备,尤其是大气科学学院, 是一个理科专业学院, 除了大型计算机的使用, 第一次接触此种工科类型实验室建设和风波流水槽实验设施的建立。

作为该大型实验设施的建设负责人, 回顾该设施建设的历程,不仅可从一个方面反映当时学校的发展状况,同时总结的经验与经历可为后续学校大型设备更新及建设提供借鉴,也可以使校友们了解学校现代化设备与设施建设的发展历史。

一、调研与设计

首先需要根据本校的专业特点,进行水槽初步设计,也需要依据经费总量,进行水槽尺度和功能考量。当时,风波流水槽的计划经费,只有不到50万。这样的经费只能精打细算了。

我在国外曾使用过英国爱丁堡大学的拖曳水槽、风浪水槽、帝国理工的短距离拖曳水槽、纽卡斯尔大学的拖曳水槽、U型水槽, 加拿大不列颠哥伦比亚大学的风浪水槽, 也参观过许多国内外大学和科研院所的实验水槽、实验风洞等设备,包括俄罗斯圣彼得堡的国立水文气象大学的大型环形拖曳水槽, 此种水槽的规模和演示给我留下深刻印象。但是使用水槽和建设水槽是截然不同的两件事。

依据初步分析与建设可行性研究, 经学院批准, 我先后前往南京水利科学研究院、河海大学、中国海洋大学、以及大连理工大学开展学习与调研。

南京水利科学研究院和河海大学均位于本市,所以去了多次。中国海洋大学和大连理工大学是规划了路线,一次访两地。那时的中国海洋大学,主校区还在鱼山,校园内道路高低起伏,梯度颇大,穿着高跟鞋走路非常脚累,感慨海大老师们上班不易。而大连理工则是平坦宽阔校园,走路感觉舒适的多。

中国海洋大学的物理海洋教育部重点实验室,有大型风波流水槽,以及其他多种形式水槽,如研究内波的层流扩散水槽、环形污染物扩散水槽等。实验室的吕红民老师给我做具体介绍,吕老师曾在南气院培训过,也算是校友了。他带我参观了他们的各类型水槽,不仅介绍了这些水槽的功能,也谈到了一些水槽使用中的问题, 给我许多非常有益的经验。吕老师是一位兢兢业业,业务纯熟,经验丰富的老师。但是他们的水槽都是请其他单位来设计施工建造的。

大连理工大学的海岸和近海工程国家重点实验室的水槽尺度大、种类多,与中国海洋大学的水槽区别是,海洋大学水槽主要是教学与科研,而大连理工的水槽不仅用于科研和教学,更为海洋工程项目研究服务。重点实验室的李木国教授团队,有设计和建造各类水槽的能力,不仅为自己重点实验室建造水槽,也承接外单位水槽项目建设。河海大学的各类水槽中,有两个大型波浪水槽和风浪水池就是由李木国教授设计建造的。我们学校的水槽,从规模和经费两方面而言,对他们都算是相对小的项目。

项目投标有三个单位,南京水利科学研究院、中船重工702研究所(无锡)、以及大连理工国家重点实验室。南京水利科学研究院主要擅长小尺度水动力玻璃水槽建设, 中船重工主要业绩为游乐场波浪泳池,不考虑消波功能;大连理工国家重点实验室则熟悉水动力风浪流水槽及风浪水池建设,熟悉水槽及水池的机械消波方法,在消波方面具有国家专利。消波主要是减弱前进波到达水槽顶端后碰壁产生的返回波,这种返回波会干扰实验设定的前进波。在风机造风方面,除了大连理工采用吹风式造波以外,另两家均为吸风式造波。经过投标、竞标、评审等系列环节,最终大连理工的李木国教授团队承接了我校风波流水槽项目。

李木国教授看到我们的项目经费有限, 主动提出项目设计免费。水槽的基本规模为:水槽长39米,内宽1.1米,水槽内深1.1米。两侧为大幅玻璃,以便试验时拍摄流动更为清晰。玻璃之间以三角钢为柱,便于安装与替换大幅玻璃。水槽底为水磨石结构,结实平坦,不漏水。关于水槽的造波部分,造波方式有推板造波和摇板造波两种,造波板的驱动又有液压式和伺服电机式两种,根据我们的试验形式与需求,李木国老师为我们设计了伺服电机推板式造波装置。依托这个造波装置的控制系统,可以实现规则波、随机波、孤立波等多种类形波动造波。波速波高也是可调的,控制系统可以输出多项基本波动统计数据。关于水槽内的水流流动,采用了双向泵实现水流在水槽中的双向流动。水槽两端有整流水箱和条状整流栅,向水槽内注水是通过整流箱自下向上输送。造流时水泵抽水,水槽内的水与水槽外水管构成水流循环,经整流栅过滤,流速均匀。李教授还为我们设计了地下水库,便于循环用水,节约用水量,而且地下水库与水槽高度形成水位落差,在开闸排水时,相当方便,并且排水迅速。水库中的水经过沉淀,抽入水槽,是清净的,便于试验摄影。

二、选址和建设

有了设计就要确定建设地点。在项目经费中,并无专门盖房经费,而水槽长度是其特点,没有一个现有教室能有那么长的空间,其次水槽也需要一定的高度,因为要安装风机,以及留下水槽上方的实验设备安装及操作空间。我去了不同的教学楼,包括当时正在建造的气象楼,进行实地了解。

当时大气科学学院还在尚贤楼,一般教学楼为课堂式建筑,其承重能力通常较低,北辰楼和明德楼也是这样,因此不合适。文德楼的情况虽然也是教学办公楼,底层是开放式停车库。这个停车库不同于气象楼的地下停车库,它四面敞开,地基牢固,便于围隔成为独立实验室,使用实验室时人们进出方便,长度也可以满足。但是水槽的总高度较高,对场地的高度有要求,所参观的其他各学校水槽实验室,均非常高大。观察文德楼底部的停车场,最南部的正好在东端有一处几层楼高的空旷水泥格装饰,可以安置风机,最后确定在文德楼南部地下停车场建设风波流水槽。实际上停车库的高度还是偏低,李木国教授就根据实际空间,又修改设计,将原在水槽下方的水泵及泵水管道移到水槽的左侧,但是它们必须低于水槽底板,形成落差。即使这样,由于停车场的顶部有下垂的横梁,所以至今水槽上方的实验设备安置及操作空间是分段的。

确定了设计方案和建设地点之后,需要寻找施工队。这项工程专业性很强,施工队需要熟悉水槽建设的各方面。经过投标竞标及专家评审, 常驻河海大学水工实验室的田国强施工队入选。小田师傅是一位擅长水工实验室各类水槽建设和试验模型建造的,经验丰富的施工队长,尤其是他非常淳朴,吃苦耐劳,对事情不太计较,是一位很好合作的人。也许这就是为什么河海大学港航学院老师们的各种项目都请他协助,项目离不开他,他成了水工实验室的常驻施工队。经过与小田师傅的合作,我觉得他应该被评为进城务工的优秀农民工,他已经为高校科研与教学做出了重要贡献。

水槽开工建设是在秋冬季节,每天我都去工地查看。由于那时底层车库是敞开的,除了有顶有底,四周没有任何遮拦。为了看守施工材料与设备,施工队晚上就睡在建设工地,冬天天气十分寒冷,夜晚尤甚,他们就盖着一条被子。我早上去工地看到他们,心中非常感动。小田师傅在施工过程中,攀上跳下的忙碌,我说小田师傅你就像个孙悟空了。这些都给我留下了深刻印象。

经过十多年,水槽维保期过了,我们实验室仍然与小田师傅保持联系,碰到水槽相关的各种设备问题,我们仍然邀请小田师傅来帮助解决。

三、管理与成效

水槽建成以后,我们需要具有水工实验背景的管理教师,所以要招聘人才。开始不知该向何处去找,后来有同事推荐了一个网站,于是我拟定了广告,经领导批准,我将招聘广告挂到了网上,因为是水动力实验室管理,广告上写明了希望是个男生。不久我就收到了一份申请材料,申请人是河海大学水利水电学院应届毕业的硕士。再后来,竟没有收到其他申请。于是只好通知申请人来面试,应该说申请人的条件还是相当符合我们要求,不仅有水动力实验的经验,也有电力知识背景,也具有当时学校要求的硕士学位。面试之后申请人问我,还有其他面试人员吗?我只好含蓄地回答,今天只有你一个人。当然后来我们就正式录用了他。他就是现在负责流体力学教学实验中心的刘刚老师,工作尽心尽职,业务精通扎实,管理勤奋细致,善于团队协作,是位很踏实的老师。对风波流水槽建设以及后续的实验室建设做出了积极的重要贡献。

风波流水槽建成使用已经十多年了,助力我们培养了不同层级的本科生、研究生、以及国际本科生、国际研究生。共计5-6千人;助力我们申请和多次获批省级大学生创新项目;助力我们在2009年申请到第2批中央与地方共建项目;助力我们2017年获批省级教学实验训练中心和省级科普教育基地;助力我们完成国家级和省级科研项目多项并发表60多篇不同级别的论文及报告;助力海洋科学学院的实践教学发展升级。风波流水槽的建设与使用为学校为学院都做出了重要贡献。

同时通过风波流水槽的建设,我们开展了广泛的协作,建立了理工联盟的协作机制,以及高校与社会的密切互动,认识和确立了跨越专业的协同友谊。

我衷心感谢当年管兆勇教授的前瞻提议、郭品文教授、徐海明教授的成功申报,以及在风波流水槽建设过程中学校从各方面的鼎力支持和后续追加拨款的资金资助。衷心感谢相关专家们包括施工专家给予我们的指导、支持和实力帮助,也感谢实验室及学院的教学科研团队的积极配合,才有这样成功的建设。

学校步入了双一流平台,相信风波流水槽的使用也会与时俱进的升级,焕发更新活力。

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