詹姆斯·B·法兰西斯

詹姆斯·比切诺·法兰西斯 （James Bicheno Francis，1815年5月18日－1892年9月18日），英国裔的美国工程师，他著名的发明包括法兰西斯式水轮机。

## 生平

<image>

詹姆斯 B. 法兰西斯生于英国英格兰威特尼邻近的牛津郡南利 (英国)，最早于14岁时开始工程师生涯，当时，他在他父亲的手下作为徒弟学习，并在南威尔士的波斯考尔铁路港口从事港务工作。1833年，当法兰西斯18岁时，他决定移民至美国。他当时获得的第一份工作是在康乃狄克州斯托宁顿 (康乃狄克州)担任铁路工程师小乔治·华盛顿惠斯勒的助理，而他们的业务范围有纽约以及纽黑文铁路。一年后，法兰西斯和他的老板，惠斯勒，北上到马萨诸塞州洛厄尔，并在他19岁那一年，成为了锁与运河公司的绘图师，而惠勒斯则成为该公司的首席工程师。

几年后，在1837年，惠斯勒从锁与运河公司辞职，并且前往俄罗斯为他们的主要铁路工作。在惠勒斯离开前，他将法兰西斯提拔为首席工程师，并将他原本在沃森街的房子卖给了法兰西斯。同一年7月12日，法兰西斯在洛厄尔与萨拉·W·布劳内尔结婚。他们的第一位子女小詹姆斯在1840年3月30日出生，并在后续他们夫妻一共有5名子女。

1841年，法兰西斯在公司中获得了第一件大型案件。他必须要分析有多少家工厂每天从他们公司所管辖的渠道中引水利用。而在该案件完成后，公司对于他的能力极度赞赏，因此在1845年将法兰西斯提拔为锁与运河公司的经理。

身兼经理与首席工程师，法兰西斯当时共肩负着北运河与穆迪街电力馈线工程。这两条运河兴建于19世纪40年代末和1850年代初，当时总共完成了5.6英里长的洛厄尔运河系统，并为该座工业城市带来蓬勃的都市发展，以及大大增加了这座城市主要工业，研磨谷物的效率。

在法兰西斯工作于洛厄尔运河系统期间，他也为全国多项的水工程提供他的咨询建议。当纽约市需要增加市区供水来源时，法兰西斯便曾在兴建在巴豆河上奎克桥大坝工程提供了他的专业技术咨询。他也向密西西比河圣安东尼瀑布水坝提供技术咨询。

法兰西斯的儿子在美国陆军中担任少尉一职，并于1861年参与美国内战。而其中在安铁顿战役中，他担任军中队长一职，然而战斗中他的手遭到击伤。1865年7月，内战结束后，小詹姆斯晋升为中校。

## 发明

### 消防洒水系统

1845年，法兰西斯开发出当时全美国第一款消防洒水系统。在洛厄尔贝尔维迪尔段的林德山山顶，他兴建了一座与蓄水量2,000,000的水库相互连结的输水管线系统，而这些管线断面直径为36in，材质为铸铁，共分有多条分支线连结到市内的工厂。另外，第一座简易的重力系统则是在萨福克工厂的拾取室中施作。大约20年后，于1869年，法兰西斯与弗雷德里克·金内尔（Frederick Ginnell）的普罗维登斯蒸气与瓦斯管线公司签署合约来安装1906年由英国人约翰·卡尼（John Carney）所发明的“多孔管线”，并与法兰西斯自己的系统相互运作。此后，两位逐渐成为朋友，并且互相分享和测试各自的许多想法。而他们所开发出的系统，也在工厂业主与保险公司之间大受欢迎，之后普罗维登斯蒸气与瓦斯管线公司更开始在马萨诸塞州福尔里弗以及其他各处的研磨工厂来安装他们开发的相关系统。

法兰西斯的系统十分的简易：控制阀门是手动式的，使水流流过一座以阵列形式夹在天花板之间的系统，水流末端再以小量雾状喷洒的方式扑灭火势。不过，这种系统最大的问题是，这项自动洒水灭火系统是直接面向建筑物中的全部室内空间的，因此只要安装该系统的任何室内空间及空间内放置的物品都会被自动洒水系统波及。直到1875年，直到1875年，亨利·帕米利（Henry Parmelee）发明出一种只会启动一次的洒水喷头而自此使得自动洒水系统更为盛行。

### 水轮机

<image>

法兰西斯之后也开始关注于水轮机的设计，并在尝试改善了当时乌利亚 A.博伊登（Uriah A. Boyden）在洛厄尔发表自行开发的博伊登水轮机中的设计缺陷。这两位工程师往后也一起合作持续改善博伊登水轮机的运转效率。在1848年，法兰西斯与博伊登成功开发出了全新型态的水轮机，而这种类型的水轮机现今便被称之为法兰西斯式水轮机。相较于博伊登水轮机，法兰西斯水轮机提升了将近90%的运转效率而显得黯然失色。1855年，法兰西斯将自身的研究成果集合成一本书名为“洛厄尔水力实验”（Lowell Hydraulic Experiments）出版。

### 防洪

<image>

在1850年，法兰西斯还下令在波塔基特运河上建造了大型的水闸门以保护市中心内的工厂免于受到洪水侵袭。然而这座闸门很快的就被人们称为“法兰西斯的愚蠢”（Francis' Folly），因为没有人相信这项建设是可行的，但它很可能仍是必要用以防范未然的建设。因此将近两年之后，1852年，这座闸门便阻挡了一次巨大的洪灾让城市免于受侵袭，后续在 1936年北方洪水、1938年新英格兰飓风、2006年5月新英格兰洪水皆透过闸门防止大水冲入市区，并在2007年，也由于有闸门的关系，防止了暴涨的梅里马克河河水冲入市内的运河系统。然而，一场发生在1970年代的恶意纵火案，造成原本木制的法兰西斯闸门被破坏，后续利用较为复杂的方式（大型结构连锁破坏）将原木制闸门拆除，使得在2006年时能够利用更为现代方法的钢梁隔板制闸门来阻挡洪水。而对于法兰西斯从洪水之中拯救整座城市的努力，洛厄尔市将一尊巨大的银制水罐与托盘颁给了法兰西斯以兹纪念。.

1886年，法兰西斯，与其他两位土木工程师；艾略特 C.克拉克（Eliot C. Clarke）和克莱门斯·赫歇尔合作来研发防洪议题。并以“预防石溪谷洪水”为主制定了一套防洪准则体系，稍后于波士顿市公布了他们所研发的这项体系。这项研究中，针对了波士顿市内居住在、海德公园、富兰克林公园以及罗斯林代尔居民的洪水侵袭状况。

1889年，法兰西斯就任宾夕法尼亚州约翰斯敦灾难的调查委员会委员，并以义务方式协助调查事件成因，该起事件是由于南福克水坝溃决导致超过2,200人死亡。

## 晚年生活

法兰西斯晚年时依然活跃于洛厄尔市内的各种社会阶层中，甚至在1862年至1864年之间，更成为洛厄尔的市议员一职。

1865年，法兰西斯研究，并对外发表了他对于铸铁的发现，在他的出版书籍“铸铁柱的强度”（The Strength of Cast-Iron Columns）一书中，提及了铸铁柱应用于结构柱中的研究。

法兰西斯也是水力机械测试方案的发明者，他也是美国土木工程师协会的创始会员之一，并在1880年担任该协会主席一职。

1883年，法兰西斯正式完成了他对于流体流速的计算标准公式，现该标准公式被称作为法兰西斯公式或是法兰西斯方程式，其大多用来计算流体力学与拦河堰之间的关系。

Q=3.33h1 3/2 (L-0.2h1)

Q= 立方英尺/秒的排水量，已忽略趋近速度。

L =堰长（英尺）

h1= 堰高（英尺）

法兰西斯持续在 Locks and Canal 公司中任职，直到1884年，他69岁时向公司辞职，然而后续仍担任该公司的顾问一职直到法兰西斯辞世。他的儿子詹姆斯后续也接任首席工程师一职。他的后半生，与他的妻子莎拉在他们沃森街的家度过，这栋房子也是惠斯勒家族六名子女的老家，目前已改为惠斯勒艺术博物馆。法兰西斯于1892年9月18日辞世，享年77岁，并葬于洛厄尔公墓一座利用花岗岩石块切割而成的巨大的石柱之下，用来象征着制作运河的石柱。

## 个人荣誉

法兰西斯对于现今室上诸多的水力工程与系统拥有极大的贡献，以下是以他的名字命名的项目：

- 洛厄尔大学中的詹姆斯 B.法兰西斯工程学院，院内共有硕士、博士与工程学位学程。其中，工程学位和硕士中，有建置超过七项工程方案课程，包括塑料工程与核能工程。
- 法兰西斯闸门；马萨诸塞州洛厄尔。
- 法兰西斯式水轮机。
- 法兰西斯式系统；早期的消防洒水系统。
- 法兰西斯公式；说明了水流流过水坝。这项公式是当今流体力学中，用来计算水流量密度流过矩形拦河堰长度与顶部的重要条款。

## 法兰西斯式水轮机的著名使用站点

<image>

当今，法兰西斯式水轮机成为世上最广泛使用于水力发电中的水轮机类型。包括中国长江三峡大坝中所使用的也是法兰西斯式水轮机，更是目前全球最大的水力发电厂。其完工后预计总装置容量将高达22,500MW。随着法兰西斯式水轮机投入自1900年以来所兴建的水坝中来进行水力发电使用，它所发的电力几乎占全世界的1/5：

- 艾尔夫卡勒比水力发电厂 1911年，瑞典 - 该国最早的一座水力发电厂。
- 胡佛水坝 1936年，美国内华达州与亚利桑那州之间 - 2,080 MW，世界知名的水坝，也曾是世上最大的水力发电厂。
- 大古力水坝 1942年，美国华盛顿州 - 6,809 MW，美国最大的水力发电厂。
- 德斯水坝 1963年，伊朗 - 520 MW，该国在建中的重大国家建设。
- 戈登水坝 1978年，澳大利亚塔斯马尼亚省 - 432 MW，该国最高的水坝。
- 杜斯采水力发电厂 1978年，捷克共和国 - 480 MW，该国最高的水坝。
- 努列克水坝 1980年，塔吉克 - 3,000 MW，世上最高的水坝。
- 罗伯特-布拉萨发电厂 1981年，加拿大 - 5,616 MW, 该国最大的水力发电厂。
- 伊泰普水坝 1984, in Brazil/Paraguay - 14,000 MW，美洲最大的水力发电厂。
- 维多利亚水坝 1985年，斯里兰卡 - 210 MW，该国最高的水坝。

## 基本资料

- 日语原文：詹姆斯 B. 法兰西斯、James B. Francis
- 出生日期：1815年5月18日
- 出生地：英国英格兰牛津郡南利 (英国)
- 逝世日期：1892年9月18日
- 逝世地：美国马萨诸塞州洛厄尔
- 国籍：美国
- 族裔：英裔美国人
- 研究领域：工程师