科研灵感之“前车之鉴少弯路”

2001年，我硕士毕业准备读博士的那个暑假，到一家咨询公司实习，这个老板R博士很有魄力，他是斯坦福毕业，所以对燃烧问题很有看法。因为和休斯公司的老板不和，就跳出来与休斯竞争。作为咨询公司，最关键的是知名度。如何提高学术知名度？如何让客户找上门？莫过于发表研究文章，提高谷歌的搜索排名。可是咨询公司的可计费时间（Billabletime）是非常昂贵的，通常每小时收费150~250美元，而学生只需要支付12（本科未毕业）~18美元（硕士）（这是2001年的行情），所以从学校里雇佣几个廉价劳力，既完成科研任务，又实现考察未来员工的目的，还能够从美国政府的报税中获得减免，是美国小公司招实习生的三大理由。

当时给我的课题很简单，有消防队员发现，发生在地毯上的油类火灾看上去很凶猛，所以要用火灾实验发现地毯在纵火中的作用。看上去理由似乎是显而易见的，因为我们中学物理都学过毛细现象，地毯是典型的多孔介质，毛细现象是常温下的传质结果，然而，火灾情况下，毛细现象也会增加传质吗？作为一个燃烧专家，他既给了我问题，又给了我思路，就看我如何动手解决了。

实验过程顺风顺水，因为没有复杂的测量工作，只要网上订货，设备自动上门。实验照计划展开，现象也是如期而至，关键在于如何解释结果？为什么地毯会增加火势？

我曾经清教过T教授，他给我画了一张图，描述了液体燃料在燃烧中不同于固体燃料的地方。液体燃料之所以不同于固体，是液体燃料有显著的相变过程，所以存在一个沸腾区，沸腾区之下，温度差恒定，热损失恒定，也就是说沸腾区相当于绝热层，无论多大的传热通量，遇到沸腾层，通过的热通量都是常数。所以，沸腾具有绝热的效果。可是，当液体燃料刚刚点燃的时候，沸腾区尚未建立，这时候绝热层不存在，所以热损失很大（深度传热损失），这时候液体火焰的火势不大，有一个稳定燃烧时期，等沸腾区建立之后，燃料蒸发量会上升到另一个平台区（因为深度热损失被沸腾区屏蔽了）。等沸腾区达到油池底部，绝热层得到破坏，这时候边界传热突然增加，又会产生一个蒸发的高峰，后者常常是造成扬沸Boilover现象的换热机理，曾经在历史上造成很大的伤亡。深入理解了油池火焰的蔓延规律，反过来看地毯上的油池火灾，原因就很明显了。由于地毯本身就是绝热材料，毛细现象（或特指烛芯效应）造成燃料的沸腾区仅仅发生在多孔介质（即地毯的通用化名称）的表面，所以既没有第一个平台区，也没有第三个尖峰区，只剩下中间一段平台区。这就是烛芯效应的物理解释。10年之后，他仍然记得这张图，而我也是完整地保留了这张图。所以，这张图刊登在一篇回溯性的文章中。

是否有了这种解释就足够了呢？我检索了100篇相关文献，阅读50篇，引用30篇。其中一个日本人Hayasaka的理论研究吸引了我的注意。他是研究油池火焰预热阶段（即第一平台期），他认为这一阶段的热损失用于把液体温度从环境温度提升到沸点，并计算了预热能量与相变能量的比值。可是，他的实验对甲醇做不到10%的理论预报值，而我的实验的结果非常漂亮，刚好10%的增加值，所以他的理论结果被我妙手改造，成为验证我观点的他证和理论背景，让我的说法更加无懈可击。

发表过程也是一波三折。我曾经投稿过两次，都被拒绝了。说是英文不过关，其实是表达的方式有问题。按照正常的写作模式，回顾、实验、数据、分析、结论，读者受到毛细现象先入为主的观念干扰，很难理解我的理论分析，所以他看不懂，就说我英文不好。后来全部推翻改写，先深入理论分析，预期了结果之后，然后用实验验证，这样读者就没有偏见了。于是这篇文章因为较好地解释了火场发生的烛芯效应而获得一个年度最佳论文奖，当时的待遇是2000美元和一趟拉斯维加斯之旅，还算皆大欢喜。

为什么会得奖？其中有一个范式的突破，即R博士认为的毛细作用深入人心，人人以为地毯是多孔介质，多孔介质必然会产生毛细作用，毛细作用会带来传质的改善，形成了一种思维定式。而我认为，传质也是靠传热来驱动的，能量守恒控制过程。所以在多孔介质上，传热过程决定传质的效果。R博士曾经试图引导我用毛细作用来加强结果解释。可是我的一句话，“环境速度为零”，他立即闭嘴了，因为他也是武林高手，“高手一伸手，便知有没有”。传质靠风速得到提高，比如计算机的CPU靠肋片换热，但是离不开小风扇，没有风扇，肋片的传热增强效果几乎没有。在缺乏环境流场的前提下，地毯对传质的贡献为零，甚至为负，就是这个原因。后来我给Tamanini（埃蒙斯的学生）解释我的结果，他也是一点就通，半句废话也不需要解释。和高手交流，你会感到不一样的收获和体会，这是我们需要参加学术会议的主要理由。发现现有思路的范式陷阱，寻求新思路的范式突破，也是我们的灵感源泉。

图1. 2001年绘制的传热草图对于最终的结果有很大的指导价值。