蔣子剛和他的揉動式流體機械

2020-12-27 中國科學院

編者按 科技日報介紹的這一揉動力學理論和揉動技術,在很多人看來不可思議,而有專家認為這是一項看起來怪異但卻毋庸置疑的特大發明。記者試圖求教更多的相關院士和教授專家,得到更加權威和全面的評說,均無功而返。

據了解,發明人蔣子剛日前已將揉動式流體機械的樣機放到清華大學工程力學系演示,並將所推導的數學方程式提供給相關教授,供大家研究和驗證,還將在5月23日開幕的北京科博會上演示。蔣子剛表示,此舉是為了能讓這項具有完全自主智慧財產權的、高度節能高度環保而應用面又極為寬廣的技術首先在自己的祖國「火」起來。希望和歡迎學術界和產業界共同研究、探討和爭鳴。

現場採錄:初見揉動式樣機

「礦難是能夠避免和根治的,要解決的主要問題在於通風和排水。揉動式流體機械的誕生將使礦難發生的概率從現有水平降低1—2個數量級。」這是該機械的發明人蔣子剛先生近期在北京巨匠科技有限公司舉辦的新產品樣機演示中所講的話。

蔣先生首先介紹說,這是世界上第一臺揉動式通用流體機械,是純粹演繹理論的創新成果。其設計的任何一部分,都是他根據方程式直接推算出來的。他說,所謂揉動是一種有別於往復式平動和圓周向轉動的運動方式,其運動機構由牽連性公轉和逆向慣性自轉合成;所謂通用流體機械,是指同時具有功能和方向可逆性、流體物相通用性和運行參數無下界連續性三大特性的新型流體機械。通俗地說,這種機械既可作馬達用,又能作水泵用,還能當壓縮機、真空泵、二相流泵、二相流真空泵和高低壓通風機使用,其運行參數在0至最大值間可連續改變,因而是一種一機多能、適應性極廣的新機器。

記者看到,揉動式通用流體機械的樣機很普通:機體呈長方形,大小有如家庭廚房中使用的小廚寶,其出入口通過法蘭盤連接著兩根茶杯粗細的管道。樣機主軸上裝有皮帶傳動裝置,演示泵類功能時由內燃機驅動。

在演示水泵功能時,蔣先生告訴大家,傳統水泵的參數是設定的,只能在很小的範圍內變化。如超過設定範圍,將或者不能工作,或者效率嚴重下降。而這臺樣機設計揚程是204米,在揚程降到很低時也能正常運轉。現場演示結果證實了蔣先生所說。

樣機還具有二相流泵的功能。蔣先生在演示前解釋說,二相流泵是指氣和水一起走的泵,並且氣液比例能夠任意變化。這一特徵可用於礦山安全防護———來水排水,來氣排氣。而傳統的泵不能適應二相流。演示時記者看到:出水管中流出了很急的水流。將該管子插到水中時,有一股氣流噴湧為氣泡濺冒,說明抽出的水中含有大量氣體。

該樣機的馬達功能也非常靈敏。演示該功能時記者看到,接上普通自來水管後,流出的小小水流竟使該馬達靈活地轉動起來。有人試著用手制止皮帶輪轉動,感覺力矩很大。樣機的馬達功能令觀看者普遍稱奇。

現場演示項目還包括壓縮機、真空泵、二相流真空泵、正壓和負壓通風機等功能,並用簡易方法驗證了泵方式和馬達方式的壓力自適應特性和流量與功率的線性調節特性。據蔣先生介紹,現場儀表測讀到的數據與設計值達到3位數字吻合,與儀表精度表示的可信度相一致。

據介紹,這臺揉動式通用流體機械樣機的設計製造過程歷時僅2個月,動用資金不到1萬元,並且一次組裝試車成功。

專家評說:揉動是一種很好的能量轉換方式

蔣子剛發明的揉動式流體機械由樣機的演示成功證明了其理論是正確的,但由於剛剛步入產業化實踐,人們對他的理論和技術正確與否難免懷有種種疑問。該機械是否符合科學規律?在今後產業化中能否成功?帶著許多問題,記者5月9日採訪了在清華大學工程力學系任教幾十年的著名熱物理學家金德年教授。

發明是否符合科學規律?

揉動式流體機械的發明是否符合科學規律?會不會是前幾年發生的水變油等笑話重演?金教授回答說,由於現在社會上「發明」太多、太濫,很多人都大言不慚地說自己是發明家,所以一提到原始創新,人們會聯想到幾年前水變油等違背科學規律的所謂發明創新,人們的這種心情可以理解。具體到蔣子剛發明的揉動式流體機械,我認為是符合科學的。首先,該機械不是一個創造能量的機器,如果說它是創造能量的機器,那就違反了熱力學第一定律,是反科學的,不能相信它。

第二,它不是一個在能量轉換過程中效率大於1的機械,如果那樣就違反了熱力學第二定律,該定律表明:能量的轉換是有方向性的,它的轉換和利用是有極限的,超過這個極限是不可能的。而這兩個最基本的科學規律蔣子剛都沒有違反,所以不能說他發明的揉動式流體機械是不科學的。

揉動式流體機械的樣機是蔣子剛用牛頓力學理論演繹出來的,樣機看起來確實比已有的機械產生的效率高,為什麼會有這樣好的效果?金教授說,其實道理比較簡單,它是在揉動之下傳遞能量和轉化能量的,而揉動時所有工作介質的質點在能量轉換過程裡沒有產生高速的運動,也就是說在揉動腔裡,每一個質點都在做低速運動,不會產生高速摩擦、高速滯止這類能量的消耗,因此損失量很小,能量轉換的效果自然比較高。

金教授還說,蔣子剛發明的揉動式流體機械屬於原創性的發明,迄今為止,歷史上所有的機器都不是採用這種運動方式。為什麼別人沒有想到這種方式?這是因為人的思維是有慣性的,不容易從根本上拋棄前人的模式。搞發明總是脫不開原有的思路,所以效率沒有根本性的變化,而蔣子剛這個機械有根本性的變化。

如何估量產業化前景?

據發明人介紹,揉動技術可用於內燃機、泵、馬達、壓縮機等多種機械上,適用於氣相、液相及多相工質。但他本人還來不及進行這些機械的實踐,人們憑何相信他的說法呢?金教授對此回答說,蔣子剛的揉動式流體機械是在由他首先提出的揉動力學基礎上開發成功的,而揉動力學原理是通用的,理論上可用在上述各種機械上。但在具體應用中,各種機械自然會有各自不同的性能要求,而初步的實踐表明,這些在技術上似乎並不難解決。現在,他的樣機已驗證了作為水泵、真空泵、壓縮機及風力發電設備等試用是成功的,看來在解決礦井安全問題上也將會是非常有效的,它可把井下產生的瓦斯和透水及時排出來,為杜絕我國近年來頻頻發生的礦難事故提供了一條頗具希望的解決途徑。當然,最終成功還有待於在產業化實踐中加以驗證。

發明者答疑:源於理論的創新最可靠

揉動力學理論史無前論,看起來有些怪異。記者帶著許多問題現場採訪了揉動式流體機械的發明人蔣子剛先生,他一一作了回答。

記者:發明揉動式通用流體機械的初衷是什麼?

蔣子剛:傳統流體機械只有直線平動和轉動兩種運動方式,產生了效率不高、汙染環境、不通用等問題,其共同的缺點是:運動線速度太高,內機械損耗和水力損耗因而過大。雖然中外科技人員在不斷地進行改進,由於沒有根本性的突破,改進的空間已越來越小。本人覺得,降低機構運動速度是突破流體機械技術瓶頸的關鍵,揉動運動方式和揉動力學理論的最初萌發,均源於「把速度降下來」的設想。

記者:說它是世界首臺揉動式通用流體機械,有何根據?

蔣子剛:揉動力學理論和揉動式流體機械是推導牛頓力學的結果。揉動力學包括機構運動學、機構動力學、流體動力學、可壓縮流體熱力學等內容,但這些學科中原來又都沒有揉動的內容,因而是學科交叉後創新的特別成果。本人從牛頓、伯努利等方程出發,導出了80多個用於定量分析的方程,專利文檔中發表了10個方程,名詞術語定義佔8頁多。這在申請專利前就通過查閱國內外資料而認定為史無前論的創造了。依據這種原創性理論設計的機器,應該算得上是首臺。

記者:有些專家在閱讀了您的揉動力學理論後,認為雖然在理論上無懈可擊,但實踐中未必成功,因為以往的發明成果都要經過實驗室—小試—中試—產業化的全過程,您如何看待這一說法?

蔣子剛:發明創造有兩種途徑,一種是先從實踐中摸索,反覆試驗,然後選優和歸納出技術方案;另一種是用理論指導創新。我認為後者才是捷徑。揉動式流體機械樣機設計製造一次成功,說明了源於理論的創新最可靠和消耗性過程最短的道理。揉動技術將在北京第八屆科技博覽會上展出,歡迎大家前往參觀。

記者:揉動式流體機械有哪些特別之處?

蔣子剛:揉動式流體機械基於創新的揉動變容運動。其功能運動與機構質點運動相分離的特點,使得實際的運動速度降低了一個數量級,從而產生了機構摩擦損耗、水力損耗和可壓縮流體熱力損耗特性的數量級優勢。這種新式流體機械最特別之處還在於能實現任何一種流體機械的功能,並且運行參數可變。較之現有技術,其工作效率大幅度提高,而製造成本的降低幅度則可能超過50%。

記者:揉動式流體機械應用前景如何?

蔣子剛:揉動式流體機械技術適合於內燃機、泵、壓縮機、馬達、傳動、空調製冷、流體計量和控制等領域應用。揉動機構的速度、動量矩、損耗率較同比轉子降低90—99%,由此產生了優良的運行特性,因而具有巨大的技術經濟優勢。申請專利後短短三個多月,我們完成了多種揉動式流體機械的應用設計。其中,「揉動式高適應性風力發電系統」和「揉動式二相流熱泵壓縮機」已經分別籤約許可深圳和湖南的企業實施。被稱為「七級浮屠工程」的「瓦斯、透水、冒頂類礦難事故防治系統」是揉動技術的一項特別應用,其設計目標是根治礦難。依據論證,該系統可以實現井下無電源一體化通風排水,在對付u型、δ型壓力瓦斯噴發及透水事故方面具有理論上的完備性。該系統已完成方案設計,正處於具體技術設計階段,並於日前與山西的一家企業籤訂了實施許可合同。

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