CFD 仿真与实验的协同研究
新泽西理工学院（NJIT）化学工程杰出教授皮耶罗・阿门兰特（Piero Armenante）做客节目，与约翰分享他在搅拌混合领域的研究经历、加入其 NJIT 课题组的要求，以及研究中计算流体力学（CFD）与实验相结合的融合思路。
“一般来说，攻读博士本身就是一场与挫折为伴的修行。我会提前跟学生讲清楚：说白了，你要撞墙一千次，但坚持下去，直到把墙撞开、凿出缺口 —— 而这种情况一直在发生。”—— 皮耶罗・阿门兰特
本期节目中，约翰与皮耶罗讨论：
- 研究中CFD 与实验融合的重要性
- 对 CFD 领域未来软件需求的看法
- 复杂流变特性带来的挑战
约翰・托马斯：大家好，欢迎收听《CFD Mixtape》。今天我们非常荣幸邀请到新泽西理工学院化学工程杰出教授皮耶罗・阿门兰特。皮耶罗，非常感谢您做客播客。
皮耶罗・阿门兰特：谢谢你的邀请，约翰。
约翰・托马斯：过去几年里，我们其实见过不少次。
皮耶罗・阿门兰特：是的。
约翰・托马斯：我知道您是 NJIT 的化学工程教授，也读过您很多论文。可以和我们多聊聊您的研究方向与专长吗？
皮耶罗・阿门兰特：当然，很乐意分享。我从事搅拌混合相关研究已经很多年了。当然，首先要界定 “混合” 到底指什么。历史上，混合研究大多围绕搅拌釜展开，这也是我工作的核心内容之一。但在我看来，我们已经把这类研究拓展到更多体系，以便更深入地理解所研究体系的一些基础特性与行为规律。
这其中很大一部分工作确实是搅拌釜内的混合，但并不局限于此。我职业生涯早期做过不少环境领域的研究，后来转向其他方向，但混合始终是贯穿其中的主线。
约翰・托马斯：我印象里您一直擅长生物制药工艺等过程研究，原来您早期还做过环境方向？
皮耶罗・阿门兰特：是的，没错。
约翰・托马斯：我之前不知道这一点，和我说说。
皮耶罗・阿门兰特：（笑）那段时间确实是环境方向，我当时可以说是 “双重身份”：环境研究主要和废水生物处理相关，我和微生物学家合作，工作内容介于微生物学与化学工程之间。核心是利用微生物等生物技术，在不同形式的反应器中应用。
当然也包括搅拌釜。但在当时，微生物降解废物的过程通常耗时很长，搅拌釜未必是最优体系，所以我们研究了多种不同装置，搅拌釜只是其中之一。
约翰・托马斯：我现在明白这条脉络了：从废水处理及相关生物体系，延伸到后来的制药领域，确实是一脉相承。
皮耶罗・阿门兰特：没错。实际上，制药方向一直都在我的研究里，我的工作很早就得到过药企等机构的支持。即便在做环境研究之前，我对制药工艺就已经很关注。
约翰・托马斯：作为教授和课题组负责人，我一直很欣赏您实验室的一点：实验与仿真相结合。据我所知，能把仿真和实验真正打通、做到这么好的团队并不多。您是如何打造这样的环境，让仿真与实验真正 “握手” 的？
皮耶罗・阿门兰特：首先，我个人一直对两者都很感兴趣。坦白说，我是实验出身，这是我的起点。尤其是早年环境方向的研究，本身就需要大量扎实的实验工作，同时也很有意思地结合了建模。
对混合研究而言，我总是先从实验体系入手，但很早就意识到：如果能把实验室观察到的现象，用 ** 数值模拟（in silico）** 复现出来，会非常有价值。这是一种非常强大的组合。
所以我尽可能让学生不只专注一端 —— 要么只做实验，要么只做仿真，而是让他们同时接触两者。事实上，我有不少学生在两方面都做得非常出色。他们大多一开始是做实验、做混合实验，我有时会 “逼着” 他们去做建模，复现实验中的关键现象，哪怕一开始他们并不情愿。
约翰・托马斯：这很合理。
皮耶罗・阿门兰特：我们还把这套思路拓展到非传统体系。大家都很熟悉常规搅拌混合，但我们更关注一些边缘领域、工业界尚未被充分工程化分析的体系。最好的例子就是过去 15–20 年我们一直在做的溶出度测试，这在制药行业非常关键：每一款要上市的产品都必须通过测试，确保达到质量标准。
其中一项关键测试就是溶出度。如果测试不通过，整批产品可能要报废或返工，因此行业对这一块非常重视。这也迫使我和很多背景不同的科研人员合作，他们很多人并不了解所使用体系背后的工程原理与复杂性，只是直接使用工具。这是一种很有趣的互补：我从他们身上学到很多，也希望他们能从我这里有所收获。
尤其是当我们预测并解释了一些他们 ** 未曾预料、只觉得 “有点奇怪”** 的现象时，他们会恍然大悟：“原来是这样！”他们终于理解了背后的机理，而这些机理最终体现在实验室的实验结果里。对我来说，这非常有成就感。
约翰・托马斯：您说到点子上了。我也很惊讶，现在有这么多生物背景的研究者在使用 M-Star。
皮耶罗・阿门兰特：真的吗？
约翰・托马斯：确实如此。正如您所说，他们很清楚自己处在一个灰色地带：他们懂生物学、细胞机制、溶出物理，但需要把这些转化为可落地的工程结论—— 也就是我们工程师关心的实际操作条件：搅拌转速、桨型、桨距、装液量等等。
他们从细胞机理层面思考，而您我所在的领域，正是用工具把生物学与工程操作条件连接起来，我认为这对我们共同的客户和社区来说价值巨大。
皮耶罗・阿门兰特：我完全同意。实际上，制药行业在这方面近几年变化非常大。过去，工程师更多局限在建厂、运维，很少深度参与从生物 / 药学实验室小试到工业化的全过程开发。但现在已经完全不同，很多药企大量招聘工程师，甚至设立了以前不存在的相关部门。
我最优秀的学生之一，现在就在一家大型制药公司工作。她被录用，正是因为需要负责相关建模工作，尤其是生物工艺相关的建模。
约翰・托马斯：她是个很厉害的例子。
皮耶罗・阿门兰特：没错。她刚进我实验室时是生物背景，后来系统学习了工程课程。现在她既能轻松做实验，也能做仿真、做 CFD，在两者之间切换自如。
约翰・托马斯：她能力非常强。
皮耶罗・阿门兰特：没错！（笑）她还跟我说，现在她更喜欢做计算，而不是实验，这点我还挺意外的。
约翰・托马斯：您的学生毕业后去向都非常好，我觉得这和您课题组的文化密不可分。对于那些本科刚毕业、想加入您这样成果突出、就业口碑极好的团队的人来说，您在招生时最看重什么？
皮耶罗・阿门兰特：我要的是优秀的人。在自己所学领域有扎实基础，并且愿意进入我们研究方向的人。如果专业跨度太大，可能不是首选；但如果在 NJIT，本身就偏向工程方向，只要基础扎实、准备充分，我们都可以培养。
当然，他们还要修读相关课程，参与我们当前的课题，同时也可以把自己的专长带进来。这不是单向灌输，很多时候是双向交流，我认为这很有益。现在不同学科之间的交流比过去多了，但还远远不够，这个循环还没完全打通。
我喜欢和不同背景的人合作：微生物学家、化学家、药师，每次交流我都很享受。虽然一开始我会有点 “自负”，觉得自己是工程师，会列方程、做定量分析就什么都懂了。但后来我变得非常谦虚，意识到自己不懂的东西实在太多。
回到您的问题：要在搅拌混合领域做研究，迟早要掌握一些核心技能 —— 工程能力、数学能力、建模能力。但我更想说的是，还要有愿意动手、不怕麻烦的精神。不只是对着屏幕，而是真正亲身参与实验装置搭建、调试、对位，哪怕是爬高、接管、校准，都要亲力亲为。
任何真实体系都会伴随各种挫折。很多时候，实验本身反而是 “简单” 的，麻烦的是前期搭建与调试。尤其是现在我们越来越多地使用小型精密设备，装置对位、激光是否精准照在容器中心，都会彻底改变体系动力学行为。
我们必须极度小心，确保所有部件完美对中。这种愿意沉下去、动手解决实际问题、克服工程实验室里各种琐碎困难的态度，是想和我一起做研究的人必备的素质。
约翰・托马斯：我很认同。我总结出三点：第一，我不太在意你具体学什么，只要你学得扎实、成为所在领域的专家；第二，你要有转化与跨界能力，带着自己的本事来，同时愿意继续学习；第三，需要韧性与严谨，能发现问题、做到精准。我觉得这很合理。
皮耶罗・阿门兰特：完全正确。
约翰・托马斯：这非常符合 21 世纪的人才要求。
皮耶罗・阿门兰特：一般来说，攻读博士本身就是一场与挫折为伴的修行。我会提前跟学生讲清楚：说白了，你要撞墙一千次，但坚持下去，直到把墙撞开、凿出缺口 —— 而这种情况一直在发生。在我印象里，没有任何一个人的研究是从头到尾一帆风顺、没有重大障碍的，所有困难都必须被克服，有时还需要创造性的方法，而不只是按部就班。
比如：装置怎么搭？能不能从一个合适的角度拍摄，让我们精准观察内部，而不是因为角度不对导致信息失真？这些都是非常实际的问题，但必须解决。
约翰・托马斯：您刚才说，读博是一种什么来着？
皮耶罗・阿门兰特：一场与挫折为伴的修行。
约翰・托马斯：我觉得运营一家软件公司也是如此，每天都在和挫折打交道。
皮耶罗・阿门兰特：所以你更需要韧性，才能克服困难，最终成功。
约翰・托马斯：这是一项很重要的人生技能。那么，从我们软件开发、仿真建模从业者的角度来看，您认为目前还需要哪些创新？站在实验、仿真与工业需求结合的视角，您希望我们提供哪些功能？有没有哪些缺失的环节、痛点、拼图中缺少的一块，是软件开发者可以帮您解决，从而提升效率与生产力的？
皮耶罗・阿门兰特：这是个很好的问题，也很难回答。正如我一开始提到的，我做研究通常先尊重现实、从实验出发。通过实验帮我找准方向，看清真正要解决的问题是什么。
在这个过程中，经常会出现从实验角度完全没预料到的新问题。当我把这些问题搞清楚之后，再去想：如果要用 CFD 来做，我需要软件做到什么，才能让仿真结果更贴近现实。
我对 “真实物理” 始终抱有敬畏之心。我见过太多漂亮的理论，一碰到实验就站不住脚。所以我一直把实验当作金标准，除非我知道实验本身存在某些问题。
我认为 CFD 未来一个很重要的方向，是更完善地融入流体物性，尤其是非牛顿流体、复杂流体。
约翰・托马斯：比如复杂流变特性之类。
皮耶罗・阿门兰特：正是。这一点我现在体会尤其深，因为我们在和消费品行业合作，他们用到的流体种类极其丰富：有的具有弹性，有的行为非常特殊。这些都是极具挑战性的流体。
如我所说，要做实验本身就很困难：要获得正确的流体、配方、温度、物性…… 很多时候你没有试错空间，只能用给定的物料。而当我们试图仿真这类流体时会发现，软件往往缺少处理更复杂物性的工具。
约翰・托马斯：确实如此，需要更完善的流变模型，来处理更复杂的物料。您说的这类人我非常了解：如果一家公司有流变学团队，有职称就叫 “流变学家” 的人 —— 你可要小心，他们会拿出极其难搞的物料。我亲眼见过。
皮耶罗・阿门兰特：这些流变学团队的人真的懂行，他们能教会我很多东西，很多微妙的现象我以前从未想过、也没见过，甚至只能观察到，却无法预测。有些流体真的极其复杂，想用 CFD 仿真它们，会面临非常现实的工程难题。
约翰・托马斯：确实很棘手。控制方程本身就很难，这到底算不算流体？我们到底在解什么样的方程？
皮耶罗・阿门兰特：而且流体物性还可能随时间变化，这又该如何考虑？
约翰・托马斯：我喜欢流变这个挑战。
皮耶罗・阿门兰特：另一个挑战与此相关，就是多相流。我们通常需要考虑不同相之间的界面发展，比如表面张力，该如何处理？这可能是影响现象机理的核心因素。
所有这些生物体系，从流变角度都极其复杂：有液相，有微生物，有消泡剂，它们会改变表面张力；还有气体鼓泡，与各组分相互作用，产生不同尺寸、形状、特性的气泡。
这又回到我最开始说的一点：更深入地理解流体的流变特性与物性，它们会实际影响研究结果；从计算角度，则需要更合适的模型，来预测这些高度复杂的现象。
这是一个重大挑战：因为你把多相问题本身就不简单，再叠加复杂物性，在我看来，整个问题难度会急剧上升。
约翰・托马斯：对仿真来说，计算量确实会瞬间爆炸。皮耶罗，非常感谢您今天做客分享，和我们进行这场深入交流。
皮耶罗・阿门兰特：也非常感谢你们，给我这样一个坦诚交流研究与工作的机会。
约翰・托马斯：我可以把您的领英主页和联系方式放在本期播客的简介里吗？
皮耶罗・阿门兰特：当然可以，麻烦了。
约翰・托马斯：好的，会放在简介里，方便大家进一步了解您的研究并直接关注您。皮耶罗，再次感谢您的时间，非常感谢。
皮耶罗・阿门兰特：谢谢你们。
约翰・托马斯：也祝您在这个非常精彩的交叉领域继续做出优秀成果。
皮耶罗・阿门兰特：谢谢，非常感谢。
约翰・托马斯：未来还有很多很棒的科学工作值得期待。再次感谢。
皮耶罗・阿门兰特：谢谢，再见。
