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时洋

学历：研究生

学位：博士

专业方向：水力学与河流动力学

专业技术职务：助理研究员

工作单位：清华大学水利水电工程系

责任导师：王光谦

获重大人才培养奖励计划、基金资助项目情况：

序号	年度	项目名称
1	2021年~2023年	国家自然科学基金青年科学基金项目：声流耦合作用下微粒团聚过程及机制研究（52009059），国家自然科学基金委，24万元，主持
2	2021年~2023年	中国博士后科学基金特别资助项目：流体颗粒声波团聚机理及模型研究（2021T140385），中国博士后科学基金会，18万元，主持
3	2019年~2023年	“西南河流源区径流变化和适应性利用”重大研究计划集成项目：西南河流源区空-地水资源联合调控理论与技术研究（91847302），国家自然科学基金委，200万元，骨干
4	2019年~2023年	国家重点实验室开放基金课题：波流作用下振动海底管道附近床面局部冲刷过程研究（HESS-1909），天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，6万元，主持
5	2018年~2021年	中国博士后科学基金面上项目：复杂海况下围油栏失效机理及精细数学模型研究（2018M641372），中国博士后科学基金会，5万元，主持
6	2017年~2021年	“十三五”国家重点研发计划项目：河源区及干旱区降雨径流挖潜与高效利用技术（2017YFC0403600），中国科学技术部，1787万元，骨干
7	2017年~2021年	“十三五”国家重点研发计划项目：全球水循环及“天河”理论与关键技术国际大科学计划（2016YFE0201900），中国科学技术部，1002万元，骨干

主要科研经历及贡献：

（一）主要科研经历

自2013年7月从天津大学建筑工程学院水利工程系毕业取得学士学位后，2013年9月~2018年6月在天津大学师从李绍武教授攻读博士学位，主要从事海上溢油应急防控、湾港超大浮体及海底管道安全防范等方面的研究。2018年7月进入清华大学水利水电工程系王光谦院士和魏加华教授团队工作，主要从事空中水资源开发利用、微尺度颗粒运动机制等方面的研究。

作为项目负责人先后主持国家自然科学基金青年科学基金项目1项、博士后科学基金面上项目1项、博士后科学基金特别资助项目1项、水利工程仿真与安全国家重点实验室开放课题基金课题1项，作为项目骨干参加研究团队国家重点研发计划项目2项，参加国家自然科学基金委员会“西南河流源区径流变化和适应性利用”重大研究计划集成项目1项和国家自然科学基金面上项目2项。基于上述研究，取得了一系列理论上创新、工程中实用的研究成果。以主要作者在Applied Ocean Research、Journal of Fluids and Structures、Atmospheric Research、Advanced Powder Technology、Powder Technology等主流期刊撰写和发表学术论文30余篇；以第一作者获软件著作权1项，申请和授权专利10余项；参与Remote Sensing，Frontiers in Environmental Science等近10个国际主流期刊审稿工作。曾获天津大学“学生科技英才”、“优秀博士毕业生”荣誉称号，曾获清华大学“水木学者计划”、“博士后支持计划”资助。

（二）主要科研贡献

研究领域为水力学及河流动力学，主要开展多相流、多体动力耦合、空地水资源转化等方面的研究，研究贡献主要体现在以下三个方面：

（1）揭示水波与大比尺弹柔性建筑物非线性相互作用机制，开展应急型浮式防波堤和围油栏建设成套技术开发与应用推广。

复杂动力环境与弹柔性建筑物间的交互响应关系一直是水工/海工结构动力学研究的重点、难点和前沿科学问题。本人建立了水-气-油-沙互不混溶非牛顿流体模型、风-波-流-浮体非线性动力耦合模型，丰富了多相流、多体动力耦合的数值计算方法和知识体系。承担设计、建造并维护交通运输部天津水运工程科学研究院大型水动力基地溢油专用波流水槽（45 m×0.5 m×1.1 m），自主开发“非接触式”水动力实验采集方法与技术，提出了基于原型的港湾应急型弹柔围油栏、超大浮式防波堤、海底管道的性能优化方案和性能测试方法，参与相关行业标准规范制定。

相关研究成果发表于Applied Ocean Research、Journal of Fluids and Structures等国际期刊，累计他引百余次，研究动态被国内外多个学术团队追踪。部分同行引用及评价如下：日本京都大学教授、Applied Ocean Research副主编Abbas Khayyer高度评价申报人所开发的SPH/DEM无网格粘性流软件在计算流体力学领域的广泛应用前景（Coastal Engineering Journal，2018，60）。日本国土交通省日本港湾空港技术研究所所长、开罗大学教授Taro Arikawa参观“部天科院”港口水工建筑技术国家工程实验室时高度评价所搭建的风波流断面水槽及配套非接触式水波测量系统（参考大比尺水槽450 m×5 m×11 m按照10：1缩放），鼓励通过申请专利构筑完善的自主知识产权体系。

（2）揭示微尺度颗粒及颗粒群与声、流场相互作用及其流固耦合力学机理，所在团队创新研发出了超高功率集束声波增雨雪技术和装备。

环保高效的人工增雨雪技术是实现空中水资源开发利用以及与地表水资源的耦合调控的关键。以声致凝聚为核心的声波增雨技术作为一种低成本、环境友好、简单可靠的地面非火器催化新型人工降雨技术，是引领人工影响天气研究及作业领域的创新性技术，有望破解我国西北干旱区及西南河流源区降水转化率时空分布不均、常年或季节性水资源匮乏的问题。

基于声波致凝显微沉降、常温云室实验和三维数值模型等手段，发现气悬云雨微滴D-¹⁸O同位素声致交换规律，揭示了声波作用下颗粒碰撞团聚微观动力学机理和复杂流场环境下微粒群声波团聚规律和生长机制，揭示了声波促凝团聚的有效性、优选频率（35~60Hz）、阈值声强（~90dB）和声作用时间，揭示了低频、高强声波在高海拔、高寒地区的声传播特性及指数衰减规律，优选声波组阵多点联合作业参数化方案。上述研究内容实现了从理论研究、技术突破到工程实践应用的有机结合，相关研究成果受到国内（中国科学院声学研究所、中国科学院力学研究所、香港大学、青海大学等）和国际（美国俄克拉荷马大学、澳大利亚墨尔本大学、新西兰奥克兰大学、俄罗斯普罗霍罗夫物理研究所等）多家科研机构关注，相关专家高度评价了研究的创新性及其产业化价值。

（3）构建多维多尺度空中云水-雨/雪-径流转化过程的立体监测技术体系和降水转化率挖潜场次效果评价方法，揭示自然/挖潜作业下降水云系宏观动力过程和云雨滴微物理演变规律。

开展不同时空精度的多源、多尺度空中水汽及降水监测数据的诊断、匹配、验证和融合，是云降水物理过程宏观、微观特征研究的重点，也是开展降水挖潜试验条件选择、过程和技术评估和效果评价的关键。

构建了多维多尺度空中云水-雨/雪-径流转化过程的立体、协同监测技术体系，创建了基于多参数的降水转化率挖潜场次效果评价方法。研发了集成Ka/Ku/X多波段云雨气象雷达、激光雷达、风廓线雷达、微波辐射计、微雨雷达、GNSS/MET、天顶相机、雨滴谱仪和自动气象站的综合系统、反演模型软件和数据管理平台；实现了对天气过程变化分析、云降水物理过程监测、降水空间分布反演和人工影响效果多源、多维、多尺度协同分析与评价，为降雨挖潜的效果评估、天气过程研究提供了物理证据；通过黄河源区吉迈河流域和干旱内陆源区巴勒根河流域开展35场次人工增雨雪常规作业和300多台次基于超高功率低频声波的新型降水转化率挖潜作业，积累丰富的中西部高原降水过程监测数据。降水-径流转化率挖潜示范应用效果显著，可利用水资源年均量分别增加2.939亿m³和0.018亿m³。相关成果已在《应用基础与工程科学学报》、Atmospheric Research等国内外权威期刊发表。

发表论文、专著的情况

共撰写和发表学术论文30余篇，代表性成果如下：

1. Shi Yang, Wei Jiahua, Qiao Zhen, Shen Weiwen, Yin Jianguo, Hou Minglei, Ayantobo Olusola O., Wang Guangqian. Investigation of strong acoustic interference on clouds and precipitation in the source region of the Yellow River using KaKu radar. Atmospheric Research, 2022, 267: 105992.

2. Shi Yang, Wei Jiahua, Ren Yan, Qiao Zhen, Li Qiong, Zhu Xiaomei, Kang Beiming, Pan Peichong, Cao Jiongwei, Qiu Jun, Li Tiejian, Wang Guangqian. Investigation of precipitation characteristics under the action of acoustic waves in the source region of the Yellow River, Journal of Applied Meteorology and Climatology, 2021, 60: 951-966.

3. Wei Jiahua, Shi Yang, Ren Yan, Li Qiong, Qiao Zhen, Cao Jiongwei, Ayantobo Olusola O., Yin Jianguo, Wang Guangqian. Application of ground-based microwave radiometer in retrieving meteorological characteristics of Tibet Plateau, Remote Sensing, 2021, 13: 2527.

4. Shi Yang, Wei Jiahua, Li Qiong, Yang Haijiao, Qiao Zhen, Ren Yan, Ni Sanchuan, He Julong, Shen Weiwen, Cao Shoukai, Wang Guangqian. Investigation of vertical microphysical characteristics of precipitation under the action of low-frequency acoustic waves, Atmospheric Research, 2021, 249: 105283.

5. Shi Yang, Wei Jiahua, Qiu Jun, Chu Haibo, Bai Wenwen, Wang Guangqian. Numerical study of acoustic agglomeration process of droplet aerosol using a three-dimensional CFD-DEM coupled model, Powder Technology, 2020, 362: 37-53.

6. Shi Yang, Wei Jiahua, Bai Wenwen, Wang Guangqian. Numerical investigations of acoustic agglomeration of liquid droplet using a coupled CFD-DEM model, Advanced Powder Technology, 2020, 31: 2394-2411.

7. Shi Yang, Wei Jiahua, Li Shaowu, Peng Shitao, Zhang Bangwen. Experimental study on containment of moderate-viscous oil by floating boom subject to waves and currents, Applied Ocean Research, 2020, 94: 102003.

8. Shi Yang, Wei Jiahua, Li Shaowu, Song Peng, Zhang Bangwen. A meshless WCSPH boundary treatment for open channel flow over small-scale rough bed, Mathematical Problems in Engineering, 2019, 1573049: 1-17.

9. Feng Xing, Shi Yang. Numerical study of containment of spilled medium-viscosity oil in wave-current flow, Journal of Engineering Mechanics, 2019, 145: 1-14.

10. Shi Yang, Li Shaowu, Chen Hanbao, He Ming, Shao Songdong. Improved SPH simulation of spilled oil contained by flexible floating boom under wave-current coupling condition, Journal of Fluids and Structures, 2018, 76: 272-300.

11. Shi Yang, Li Shaowu, Peng Shitao, Chen Hanbao, He Ming. Numerical modeling of flexible floating boom using a coupled SPH–FEM model, Coastal Engineering Journal, 2018, 60: 140-158.

12. Cao Yufen, Shi Yang, Bai Yuchuan, Li Shaowu, Chen Hanbao, Yang Huili. Numerical modeling of permeable floating breakwater under the action of waves, Journal of Coastal Research, 2018, 85:1101–1105.

13. Shi Yang, Li Shaowu, Zhang Huaqin, Chen Hanbao, Zhou Ran, Analysis of instability mechanism of oil-water interface of oil boom under wave-current, Journal of Tianjin University (Science and Technology), 2018, 51: 691-701.

14. Shi Yang, Li Shaowu, Zhang Huaqin, Peng Shitao, Chen Hanbao. Experimental studies on performances of flexible floating oil booms in coupled wave-current flow, Applied Ocean Research, 2017, 69: 38-52.

15. Shi Yang, Li Shaowu*, Zhang Huaqin, Peng Shitao, Chen Hanbao, Zhou Ran, Mao Tianyu. Numerical modeling of floating oil boom motions in wave-current coupling conditions, Journal of Ocean University of China, 2017, 16:602-608.

获得的专利：

获软件著作权1项，申请和授权专利10余项。代表性成果如下：

1. 时洋, 张华勤, 周然, 陈汉宝, 罗家宁. 围油栏动态响应采集和分析程序, 软件著作权, 2016, 1568785.

2. 彭士涛, 时洋, 罗家宁, 陈汉宝, 张兆阳, 张华勤, 周然, 陈松贵, 刘嫣然. 一种优化围油栏裙摆压载质量分布的实验方法, 中国专利, 2017, CN106768839A.

3. 张华勤, 时洋, 彭士涛, 张兆阳, 陈汉宝, 李绍武, 周然, 郑德梅, 邹鹏旭, 赵洪波. 一种用于围油栏溢油围控实验的波流水槽, 中国专利, 2017, CN206034365U.

项目依托的科研平台、科研项目：

项目背景：

微尺度颗粒物质的动力学行为在自然界中广泛存在，主导着大气中云滴、空气中粉尘、河流中泥沙、血液中细胞等的扩散与聚合，是跨尺度、多物理场的多学科热点交叉问题。有关声波对微尺度液相及气相悬浮微粒的团聚和消散作用的研究工作在燃煤工业除尘和物质回收，食品加工、医疗器械内空气除杂，污水及冶金悬液杂质分离，高速公路和机场跑道浓雾驱散以及水资源短缺地区人工增雨催化作业等领域都有潜在的应用价值。声波团聚技术通过向目标微粒群发射定向强声波，引起流体介质扰动，加剧微粒碰撞团聚进而促进微粒团沉降，实现局部消散、脱除效果。该方法是纯物理手段不涉及任何化学催化，具有环境友好、可控性强且成本较低等优点，近年来受到广泛关注。

现阶段，国内外已进行不少关于声波作用下颗粒团聚的研究，但由于缺乏系统的观测资料以及精细的数值模型，有关声波团聚过程及机制的研究大多停留在猜想阶段，未经实验验证或仅仅对实验现象做简单定性描述，各机制间相互作用关系至今尚未明确。此外，国内外有关声波团聚的研究主要集中在提高粉尘或液滴宏观团聚效果的声场参数优化方面，而对复杂动力环境下微粒群碰撞、聚并、破碎、沉积等动力学演变过程和团聚机制的研究相当匮乏，团聚效果与声场、流场等操作参数间的量化关系尚不明确，制约声波团聚技术进一步开发和优化。鉴于此，本项目拟采用可视化模型实验和三维数值模拟相结合的方式，探索颗粒碰撞团聚微观动力学机理，发现复杂流场环境下微粒群声波团聚规律，对以声波团聚为核心的相关领域技术开发与利用意义重大。

总体目标：

拟采用模型实验和数值模拟相结合的方法，围绕“气悬微粒声波团聚机理”这个核心科学问题，从“声流耦合作用下颗粒微观运动响应规律”和“多组分气悬微粒群宏观声波团聚规律”两个方面开展研究。以期通过本项目的完成，揭示声波和湍流耦合作用下多组分、多分散微粒群声波团聚机理，发现气悬微粒宏观团聚规律，为以声波团聚为核心的相关技术提供参数优化指导。

拟解决的关键科学问题：

（1）声流耦合环境颗粒微观运动响应规律

声波团聚是非线性、非平衡、多尺度的颗粒群动力学响应，涉及复杂声场、流场耦合环境下的颗粒碰撞、凝并、破碎、沉积等动态过程。目前国内外关于声波作用下的颗粒团聚发展过程及其周围四向耦合湍动流场演变过程的研究非常匮乏，且一般局限在二元粒子对的运动模式分析并忽略两相湍流结构和相间耦合作用，这与现实环境复杂动力条件极不相符。实现对声流动力耦合环境下颗粒微观运动响应规律精准把握是揭示气悬微粒团聚机制的基础，也是本项目的关键。

（2）多组分气悬微粒群宏观声波团聚规律

气悬微粒声波团聚效果是非线性颗粒群运动演变过程的宏观表达，是颗粒群团聚、解聚动态平衡过程的时空积分。目前有关声波和湍流耦合作用下颗粒群局部浓度和粒径分布时空演变过程至今尚未摸清，难以对不同类型不同组分的颗粒群的宏观团聚效果做定量描述。掌握颗粒宏观团聚效果与声学参数、颗粒参数和环境参数间内在定量关系，实现对复杂声流耦合环境下多组分、多分散性颗粒群团聚效果优化，是本项目研究的核心问题。

研究内容与技术路线：

主要研究内容：

（1）声流耦合作用下的颗粒微观运动响应及团聚效果实验研究

1）声流耦合作用下微粒运动响应规律研究

利用高速相机拍摄声波诱导作用下微粒及微粒团迁移、碰并和破碎过程；研究湍动气流影响下单分散及多分散系微粒群运动响应过程和湍流相干结构的动态演变过程；研究声流耦合作用下的多分散系微粒同向运动作用、单分散系微粒流体力学作用和声致湍流作用等团聚假说的适应性。

2）声流耦合作用下微粒宏观团聚效果研究

采用激光粒度仪实时测量声波团聚室内微粒群粒径分布，研究声波和湍流共同作用下多分散微粒群粒径分布时空演变过程，以期找到目标微粒群所对应的最优声波团聚参数；建立以氢氧同位素丰度为载体的液态水-气态水-液态水全过程示踪，建立声流耦合作用下的降水氢氧同位素丰度演变机理和量化关系；研究声波和湍流参数对固态微粒团聚体形貌和构成要素的影响。

（2）基于四向耦合流体轨道的声波团聚三维精细数值模型研究

1）微粒群与声流场四向耦合作用规律研究

研究团聚室内部射流流场湍流特性、涡动结构以及声波在流动介质中非线性传播过程；研究强声波非线性传播效应引起的流体湍动和高频脉动；研究声波、气流和微粒间相互作用对声波场、流场的扰动和调制作用以及扰动流场和散射声场对微粒群输运过程的弥散作用，分析脉动颗粒群的统计动力学特征以及基于统计系综平均的离散颗粒系统团聚、解聚时空演变过程。

2）微粒群动力学演变过程及团聚优化研究

研究声流耦合环境下单分散和多分散系微粒群动力学演变过程；研究射流流场中离散颗粒运动与湍流相干结构和无序脉动间相互作用模式；模拟真实大气环境液滴凝聚过程和工业高温高压环境粉尘团聚过程，分析声波和湍流共同作用下的微粒团聚效果，探讨声波团聚优化方案。

技术路线：

根据拟定研究方案及各部分工作间的承接关系，将研究进程设计为预备研究和主体研究两阶段，各阶段研究概要如下：

（1）预备研究部分主要在广泛搜集现有声波团聚作业中的颗粒物化参数、声流动力条件和环境参数资料的基础上，设计并搭建可视化实验平台，创建能考虑声波-流体-颗粒全耦合的三维数值团聚室。

（2）主体研究部分主要基于可视化模型实验对微粒运动轨迹和瞬态流场的直接测量以及三维数值模型对宽广颗粒物性参数和复杂声流动力条件下微粒群运动过程的精细模拟，发现多组分、多分散颗粒群微观运动响应和宏观团聚规律，揭示声流耦合作用下微粒声波团聚机制。

预期成果：

（1）开发LES-DEM声流耦合团聚三维数值模型，总结颗粒群四向耦合动力学响应规律，丰富复杂动力环境微粒群运动响应模型体系。

（2）搭建室内声波团聚可视化实验装置，完成声流耦合环境下的气悬微粒运动响应实验监测体系设计，形成声波团聚机理及宏观团聚效果优化方案。

科研平台及研究队伍：

本项目将依托清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室开展研究工作。目前课题组拥有与本项目相关的可控声波团聚平台、先进的PIV-PTV流场观测系统、激光粒度分析系统、声波信号测量仪等高精密仪器设备，实验条件优越，完全能够满足本项目物理模型实验的需求。课题组建有峰值运算速度高达7.6 Tflops的高性能云计算平台和500 TB的云存储平台，能够充分保证本项目中大批量数值模拟工作的顺利开展。此外，项目主要成员多年来从事空中水资源开发、多相流、多体动力耦合等方面的研究，对项目所需要的实验平台搭建、数值模型开发和野外试验部署等方面都有较好的工作积累。

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