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刘焕文:喜欢思考的人生一直在路上

2019-01-08 宣传部 

人物简介:湖南浏阳人,现任教于浙江海洋大学船舶与机电工程学院,二级教授。1982年大专毕业于湘潭师专数学系。1982-1985年在湖南浏阳九中任高中数学教员。1985-1988年在湘潭大学计算数学专业攻读硕士学位。1988-2016年在广西民族大学历任讲师、副教授、教授。期间,1997-2000年在澳大利亚卧龙岗大学(University of Wollongong)数学专业攻读博士学位。2002-2004年任新加坡国立大学土木系研究学者(Research Fellow)。2004年获教育部“全国优秀教师”。2006年获中华全国总工会“全国五一劳动奖章”。2013年获“广西自治区优秀专家”称号。2015年被聘为浙江省高校“钱江学者”特聘教授。目前担任国际SCI期刊《Journal of Hydrodynamics》,国内核心期刊《应用数学和力学》及《水动力学研究与进展》编委。



 

“思考问题,是一个享受的过程。”

“纸上得来不见得浅,绝知此事也不一定要躬行!”

刘焕文,从一名普通的大专生到国外高校博士,从一位高中数学教师到在学术上有建树的学者,走出了一条精彩的人生之路,有从低谷奋斗崛起的曲折经历,也有在研究中屡获突破的欣喜。记者请刘焕文对他几十年来的研究生涯做一个总结,他认为,思考无止境,较真是关键。

澳洲卧龙岗大学读博:数学到水波的蝶变

刘焕文教授目前的主要研究兴趣为水波越过有限周期海底(如天然正弦沙纹地形或人工沙坝)时产生的布拉格共振反射的解析模拟及水波在无限周期海底上的能带结构。2002年至今,他主持国家自然科学基金课题7项,主持省部级自然科学基金课题7项。2010年获广西自然科学二等奖1项,排名第一。在国际专业学术期刊发表SCI论文50多篇。构造了缓坡类方程的系列解析解,破解了众多国际同行(包括三位美国国家工程科学院院士)断言几乎不可能解决的问题。另外,2005年他与新加坡国立大学林鹏智教授合作发表于《Coastal Engineering》的梯形陷坑引起长波反射的封闭解,被美国陆军工程师兵团和韩国首尔国立大学等的专家命名为刘-林解(L-L solution)和刘-林模型(L-L model,并得到美国国家工程科学院院士Dean等人在国际杂志《Coastal Engineering》上的正面评价。

刘焕文主要兴趣在于水波问题解析解,又称理论解或公式解,纯粹的数学推导和符号计算,所需资源主要是一支笔和一台电脑。

但是,以前他在湘潭师专上大专和在湘潭大学读硕士所学的和在浏阳九中任教所教的一直都是数学,与水波毫不相干。转折发生在199651日国际劳动节,那一天,受广西壮族自治区政府公派,他前往澳大利亚卧龙岗大学访问进修,那是他第一次走出国门。因为他在该大学的导师、华裔学者诸颂平教授当时正从事水波传播模拟的研究,因此这次出国访问使刘焕文开始接触一个新的研究领域。而访问结束后,诸颂平教授希望他继续留下来攻读博士学位。导师的强力推荐和之前较好的学术研究积累,使他在与全球众多留学申请者的竞争中胜出,同时获得澳大利亚政府的海外研究生奖学金OPRS和卧龙岗大学的研究生奖学金UPA的双重资助,从此算是完全转入了水波领域。用他自己的话说,与星辰大海的后一半沾上了边。刘焕文发现,和国内学者终身一个专业或一个方向做到老不一样,国外的学科“杂交”很平常很普遍,经济系可以招聘数学专业的师资,数学系又或许会招聘工科的博士。而他原本学的是数学,现在改为去研究水波,也算是数学与水动力学的杂交。从此,过去在他看上去十分抽象的偏微分方程,现在每一项都有了明确的物理意义。令人感到不可思议的是,无论是春风吹皱的水上涟漪还是地震引发的海啸狂潮,它们竟然都可以由数学上的微分方程所描述和控制,如长波方程、拉普拉斯方程、欧拉方程和纳维-斯托克斯方程等,也因此这些微分方程都被称为水波控制方程(Governing equation)。这让他感受到了数学的魅力和神通广大!

在卧龙岗大学访学及攻读博士学位的四年多时间,虽然所从事的是水波问题的边界元数值模拟,但他同时也了解到国际上一个长时间没有解决的有关缓坡方程(Mild-slope equation)的解析模拟问题。缓坡方程由瑞典学者Berkhoff1972 年建立以来,成为能够模拟从深水波到有限水深水波再到浅水波,并同时包含折射与衍射双重效应的强大工具。但有关该方程的解析解一直没有找到。当时的国际水波界普遍认为,缓坡类方程的解析解应该没法找到,原因在于该方程的系数所涉及的波数k是由隐式的色散关系所定义,说得更具体一点就是,缓坡方程这个微分方程的系数不是简单的常数,也不止是空间自变量的函数,而是空间自变量的隐函数!一般的偏微分方程和常微分方程的教材都不会讨论这样复杂的情形。美国国家工程科学院院士、麻省理工学院讲席教授Mei 1984年曾在他的中文专著中明确指出“求缓坡方程解析解很困难”。另两位美国国家工程科学院院士、佛罗里达大学讲席教授Dean和约翰霍普金斯大学讲席教授Dalrymple 1984在他们的合作名著中指出“Analytical solutions to the model equations are few”(该模型方程的解析解几乎没有)。还有卧龙岗大学资深教授诸颂平及韩国和台湾的几位国际同行,也在水波领域多个国际专业期刊上断言“对缓坡方程解析求解几乎不可能,数值解只能是唯一选择!”从此该问题在刘焕文心中留下了深刻印象,为他日后圆满解决这一问题播下了种子。

新加坡国立大学合作研究:刘-林模型被国外同行冠名

2000年底自澳大利亚博士毕业回国后,恰逢国内始于1999年的高校扩招,全国高校师资紧张,但刘焕文婉拒了上海、南京和长沙几所高校的邀请,仍然回到了原单位广西民族大学任教。他对记者说,虽然在国外读博拿的是澳洲的全额奖学金,但他最初是广西公派出国的,感觉不回广西工作良心不安。回国后,他于20022月至20041月前往新加坡国立大学土木学院,以研究学者的身份参与新加坡国立大学、美国康奈尔大学和新加坡国家气象署有关海啸的合作研究项目,从此开启了与华裔学者林鹏智教授此后的长期合作研究。2004年他俩与印度裔学者Shankar教授一起,借用英国学者Hunt 1976年给出的对隐式线性水波色散关系的一个显式逼近,构造了缓坡方程的泰勒级数形式的逼近解析解。论文发表在国际海岸与近海工程领域的顶级杂志《Coastal Engineering》。这是自1950年美国学者Eckart建立类似缓坡方程半个多世纪以来国际水波界第一次构造出缓坡方程的近似解析解,为以后构造出缓坡方程的准确解析解,了解水波在非平整海底地形上的传播机理奠定了基础。2005年,他与林鹏智教授合作构造的有关广义梯形潜堤对浅水波反射的封闭解发表在美国土木工程师协会杂志《Journal of Engineering Mechanics》。2007年,他们利用缓坡方程近似解析解模拟水下截顶浅滩对波能诱捕(Wave energy trapping)的合作论文发表在美国土木工程师协会另一杂志《Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering》。特别值得一提的是,刘焕文在2003年浏览最新发表的学术论文时,读到美国国家工程科学院院士Dean与合作者当年发表在《Coastal Engineering》的一篇论文,该文建立了长波在广义梯形凹槽上传播时反射系数的数值解。经过仔细研读,他和林鹏智教授发现只要再进一步解析求解一个8阶的代数方程组,就可以直接给出计算反射系数的准确公式,从而将Dean和合作者的数值解提升为简洁的解析解。他和林鹏智教授将此结果发表在《Coastal Engineering》上。由于采用的是与原作者商榷讨论的形式,因此美国工程院院士Dean与合作者在该杂志上给予了公开答复,对该解析公式给予了正面评价“-林解具如下价值:提供了验证数值解基础,能够演示宽广波场解,讨论了直线斜坡组成的广泛地形,建立了适当的无量纲变量”。2007年,该封闭形式的解析解被美国陆军工程师兵团和韩国首尔国立大学等的学者在美国土木工程师协会杂志《Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering》上命名为刘-林解和刘-林模型。

 

广西民大耕耘:缓坡方程被彻底破解

2004年,刘焕文从新加坡再回到国内原单位后,因为广西民族大学没有水波研究的学术方向,他又重拾计算数学领域的多元样条函数研究。直到2010年申报广西自然科学奖,在检索之前发表的关于缓坡方程逼近解析解的论文时,他惊喜地发现他们以前的研究成果得到了国内外同行的很多关注,该领域一些国际知名学者也引用他们创立的逼近解析方法去求解其它水波问题。另外,以他为第一完成人的研究成果《海洋波传播的解析模拟与交互边界元模拟》经广西科技厅组织两位院士和三位国家杰出青年基金获得者组成的专家组评审, 认定其达国际领先,其中中国工程设计大师、中国工程院谢世楞院士认为“该项研究具重要理论意义和相应应用价值,总体评价达国际领先水平”。该成果2010年获广西自然科学二等奖。

正是因为国际上系列后继研究的引用和国内评审专家的好评,让刘焕文意识到水波解析解方面的研究可能具有不错的前景,于是他立即指导20085位硕士研究生从研究样条函数改为研究水波传播。

2012年,他指导研究生杨静利用微积分学中的隐函数定理,分别导出了波数、相速度和组速度三个隐参数的任意阶导数的递推式,据此第一次给出了求缓坡类方程准确解析解的通用方法,其论文发表于国际专业期刊《Wave Motion》。2014年,他进一步利用数学变换,将隐式缓坡类方程成功转化为显式缓坡类方程,由此建立了一个解析求解缓坡类方程的通用方法。依据此法,他指导多位硕士研究生给出了不同地形下修正缓坡方程的准确解析解,系列论文均发表在《Wave Motion》《Ocean Engineering》等水波领域的国际权威杂志,得到国际水波界的广泛肯定。至此,缓坡方程的准确解析解被彻底破解。

 

浙江海洋大学再冲刺:期待破译波浪传播的秘密

20162月,刘焕文以浙江省高校“钱江学者”特聘教授的身份被引进来到浙江海洋大学。在这个面朝大海,涉海学科成群结队,海洋特色显著的海洋人才培养的摇篮,刘焕文感觉如鱼得水。他继续奔跑,三年时间内主持了两项以浙江海洋大学为依托单位的国家自然科学基金面上项目,一个是《在深度渐变的周期底部上传播的液体表面波的频带结构》,借鉴固体力学中有关电磁波的能带理论,拟从理论上找出水波无法传播的所谓禁带(stop band)或频隙(frequency gap),以此弄清楚什么频率的水波可以被水下潜堤完全阻挡,形成全反射,使得港口和近海设施得以保护,海岸不被冲刷。

他主持的另一在研国家自科项目是《二维水波共振反射的修正布拉格原理》。众多的研究都表明,布拉格共振原理虽然在晶体对电磁波(非机械波)的反射中准确成立,但在水波这个机械波中却误差明显。刘焕文主持的第二个项目,就是致力对海洋波越过有限周期海底时的传统布拉格原理进行修正,使之更加精确地适用于水波。

来浙江海洋大学的两年多时间,刘焕文已在《Ocean Engineering》上发表论文2篇,另有1篇也已通过国际顶级期刊《Coastal Enginnering》的一审。

刘焕文告诉记者,他喜欢在揽月湖畔的海堤上漫步,既是一种锻炼,也观察海浪的起起伏伏,说不定结合所教的《流体力学》和所做的水波研究,还可以获得某些灵感。他期望能进一步听懂大海的呼唤,破译波浪传播的更多秘密。

刘焕文,喜欢思考的人生一直在路上!

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