陈云敏

浙江大学建筑工程学院教授，中国科学院院士，国家杰出青年基金获得者，国家“973”计划首席科学家，浙江大学超重力研究中心主任，“十三五”国家重大科技基础设施超重力离心模拟与实验装置首席科学家，国家自然科学基金基础科学中心多相介质超重力相演变项目负责人。陈云敏院士长期从事土力学、岩土工程和超重力技术研究，发表论文500余篇，成果获国家科技进步二等奖3项，研制的“高速铁路列车运行动力效应试验系统”入选2017年度“中国高等学校十大科技进展”。

专家观点

地球表面和上地壳中所有物质都受到地球质量引起的引力及地球自转引起的离心力作用，这两个作用的合力形成了物质承受的重力。地球表面的重力场是常重力场，用重力加速度g表达其强度。当重力场的强度小于g时为微重力场，存在于宇宙中质量小于地球的星体表面，如月球。当重力场的强度大于g时为超重力场，如一些红矮星表面重力加速度可以达到300g。

人类一直渴望利用超重力探索自然界物质运动规律。1869年法国科学家Philips提出利用离心力在地球上模拟超重力的设想1。1968年瑞典乌普萨拉大学开展了基于离心超重力环境的地质构造过程物理模拟2。1984年英国帝国化学公司（ICI）利用离心力强化传质，并称之为材料领域“跨世纪的技术”3。1991年美国陆军工程师兵团（USACE）建造了迄今世界上容量最大（1200g·t）的离心机4，实现了土工基础设施在地震或爆炸作用下的动力响应、以及场地污染物长历时迁移等实验室模拟。2009年瑞士苏黎世联邦理工大学利用离心超重力模拟了洋中脊地区矿物的堆积-压密过程，测算出了该类地区的岩浆运移速率5。欧洲宇航局（ESA）通过在离心机上搭载不同的机载实验装置，实现了从物质科学到生命科学的多学科离心超重力实验，为揭示物质运动规律、多相介质相间作用等基础研究提供了实验支撑6。

与常重力相比，超重力实验具有时空缩尺和相物质分离加速效应。重力场支配了多相介质演变。多相介质由若干边界可分、物理和化学性质相同的组分相构成，岩土体、地球深部物质、合金熔体、地质体以及生命体等都是典型的多相介质。自然过程及工程活动中的多相介质演变，通常受地球重力场控制。重力作为一种体力，使得多相介质固相颗粒间产生接触作用和自重应力，且接触作用和自重应力沿重力方向逐渐增强。多相介质中不同相物质的质量密度不同，导致不同相物质间存在重力差，形成相物质相对运动的驱动力。超重力环境下，多相介质的应力和颗粒间接触作用增强，可以在小尺度介质中产生原型介质自重应力；相间相对运动驱动力增强，缩短了多相介质演变过程的历时。两者共同作用产生了时空缩尺效应。常重力下大尺度、长历时的多相介质演变，可以通过超重力物理模拟在实验室尺度和可观测时间内重现。超重力增强了多相介质相物质之间相对运动驱动力，加速了固-固、固-液、液-气等相物质的分离，具有相物质分离加速效应。例如在超重力合金熔体凝固过程中，超重力强化了浮力对流，减小了液-固界面厚度，增加了液-固生长界面的温度梯度，改善了液-固界面的稳定性，抑制了缺陷的形成，为制备高性能合金材料创造了极端环境。

建造高离心加速度、大容量、高时空稳定性的离心机，是离心超重力实验的装备基础及发展趋势。通过离心机高速旋转，在实验舱内产生离心加速度模拟超重力场，是一种在地球上营造稳定超重力场的有效手段。然而离心超重力作为一种模拟重力场，其特性与自然超重力场存在差异。离心机高速旋转产生离心加速度，其大小和方向随旋转半径变化，具有空间不均匀性。同时，离心机旋转坐标系是一种非惯性参考系，实验舱内物质运动受到附加的牵连惯性力与科氏惯性力作用。对于匀速旋转坐标系，牵连惯性力即为离心力。均匀离心力、非均匀离心力和科氏力三者耦合引起的非惯性系效应，可以用来衡量离心超重力的模拟精度和准确性。随着国家对超重力物理模拟、超重力凝固等离心超重力实验需求的提升，迫切要求建造出高离心加速度、大容量的离心超重力实验装置，同时需要保证离心超重力场的时空稳定性及非惯性系效应的可控性，这对于离心机装置的建造理论与技术提出了新挑战。另一方面，现有离心机建造理论尚不完备，没有考虑大转动惯量臂式转子的动力响应，在整体动力稳定性和不平衡力控制等离心机建造技术方面也存在瓶颈。

多相介质相物质运动的非线性超重力效应，严重制约离心超重力实验科学的发展。超重力能够加速相物质分离，但是随着超重力离心加速度的不断提高，相物质相对运动会进一步强化，相物质运动方式会发生改变，产生非线性超重力效应。人类对宽带超重力条件下相物质间的非线性作用规律知之甚少，如何量化表征多相介质演变非线性超重力效应的触发阈值，揭示离心超重力下多相介质运移非惯性系效应机制，是建立离心超重力实验科学的理论基础。

通过离心机搭载机载实验装置，离心超重力实验的研究领域不断拓宽。在离心机实验舱内搭载振动台、高压釜、高温高压实验腔等机载装置产生力学激励、高压、高温等极端环境，能够实现超重力场与多物理场耦合，为千米尺度岩土体灾变、300m级高坝溃坝、核素地下万年历时迁移、千米级深地/深海工程灾变、百公里级地质构造演变、高性能材料高通量制备等研究提供了实验保障。浙江大学基于自主研发的离心超重力实验平台7，在实验室尺度重现了现场尺度倾斜场地地震液化8，为我国工程防灾减灾提供了理论支撑。尽管我国离心超重力实验研究取得了一些成果，但是在机载装置研发能力及应用广度上与国际先进水平尚有不小差距。

离心超重力实验通过强化多相介质演变，为人类探索物质运动规律、观测大时空尺度自然现象提供了革命性的实验手段。通过多学科交叉融合，离心超重力实验在工程防灾减灾、深地深海资源开发、废弃物地下处置、高性能材料高通量制备等国家急需领域能够起到关键性的理论和技术支撑。需要同时布局离心超重力实验装置建设①和多相介质超重力相演变基础研究②，才能逐步实现引领国际离心超重力实验科学与技术研究、带动相关学科迈向世界一流行列或前列。

陈云敏陪同徐冠华院士一行考察超重力离心模拟装置

①国家发展和改革委员会.国家发展改革委关于超重力离心模拟与实验装置国家重大科技基础设施项目建议书的批复，发改高技〔2018〕86号，2018-01-15.

②国家自然科学基金委.基础科学中心项目“多相介质超重力相演变”（批准号：51988101）批准通知，2019-09-23.

参考文献：

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Liquefaction responses of a sloping ground [J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2018,113: 698–713.

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本文刊登于《浙江大学学报（工学版）》2020年第4期