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【光明日报】吴仲华:展示工程科学之美

  

   

   

  一九八〇年,吴仲华(右)在超声速叶栅风洞实验台安装现场。

  今年7月27日是吴仲华先生诞辰100周年的日子。作为一位热爱祖国、热爱生活的科学家,他的许多动人事迹至今仍在广泛传播,成为鼓舞我们不断攀登科学高峰的强大动力。

   

  青年时代的吴仲华是一个热爱祖国的大学生,为了抗击日寇的侵略,他曾经投笔从戎,参加国民党的炮兵部队;后来,抗击日军的愿望未能实现,他重新回到了母校——清华大学。

  抗战中的西南联大条件艰苦,但他坚持努力学习,也就是在这里,他认识了与他同岁的李敏华。他们一人弹钢琴,一人拉小提琴,交流艺术学习心得的同时也沟通人生的感悟,逐渐产生了爱慕之情,最后结为夫妻,成为终身伴侣。

  1943年年底,他们双双考取清华的公费留美生,来到了举世闻名的麻省理工学院(MIT)。攻读博士期间,他们有了第一个儿子,承担大量家务琐事的同时,他们刻苦学习得到了博士学位:吴仲华在1947年获得科学博士(ScD);一年后,夫人李敏华也得到了哲学博士(PhD),成为MIT航空系的第一个女博士。

  1947年从麻省理工学院(MIT)取得科学博士后,年轻的吴仲华进入NACA(NASA的前身)的Lewis实验室(现在的Glenn研究中心)工作。在给他的两个课题中,他选择了从事叶轮机械气体动力学的研究。经过短短的两三年,就取得了辉煌的成绩:发表了著名的论文“NACA Report955”和“NACA TN2604”,在国际科技界引起了巨大反响。就在此时,早有回国想法的他,专程到联合国安理会聆听中国代表伍修权控诉美国侵略的发言后,义愤填膺、毅然决心回国。随后,他与夫人李敏华先后辞去了NACA的工作到大学教书,并巧妙地利用移民局星期日休息的机会,以旅游为名、绕道欧洲回到北京,实现了投身新中国建设事业的愿望。

   

  二次大战后,各国经济迅速回升,对新兴的航空工业提出了旺盛需求。为了飞得更高、更快,必须大力提高发动机的性能和可靠性。那时,航空燃气轮机在各种动力装置中脱颖而出,很快在航空推进装置中占据统治地位。

  作为航空发动机核心的风扇、压气机、涡轮等叶轮机械流动的研究,直到上世纪四十年代末期,一直沿用通常空气动力学中飞机机翼时的孤立叶片模型。这种方法,只能计算叶片平均半径处进出口流动参数的变化,不能计算叶片的扭转、弯曲,因为它没有考虑叶片之间的相互作用,对于叶片数量很多的叶轮机械就不适用了。

  因此,为了大幅度提高航空发动机和叶轮机械性能,必须针对非常复杂的叶轮机械流动方程组,根据内部流动的特点,创建新的理论模型,推导相应的数学方程,提出简化的物理假定,最后给出可以数值求解的基本方程和求解方法。

  吴仲华则把一个在当时计算条件下无法求解的叶轮机械内十分复杂的三维流动分解为S1和S2两族流面上的二维流动,使其数值求解在当时的计算机条件下成为可能。无疑,这是对叶轮机械内部流动研究的巨大贡献:基于两类流面这一理论模型和计算方法,国际学术界对叶轮机械流动进行了深入、系统的研究,发现了许多新的流动现象和规律,大大提高了叶轮机械的性能;基于这一理论和方法,成功地研制出了一代比一代性能优越的航空发动机和燃气轮机,极大地促进了世界航空事业和能源动力工业的发展。

  分析吴仲华提出的叶轮机械两类流面理论,不难发现,引入的流面偏导数是一座桥梁,它把叶片空间内三维流动的物理量与流面上二维流动的物理量联系在一起,可以把三维的运动方程转换为流面上的二维流动方程;而在导出的流面上流动基本方程中出现了流片厚度和流面之间的作用力,它们是流动三维性的表征,也是流面上流动方程与通常的二维流动方程的不同之处,可以认为它们是流面理论模型的两大支柱。还应当注意到,在这一理论中,引入了一个沿流线的不变量——相对滞止转子焓I,它使方程更为简洁,计算更为简便。这一座桥梁、两个支柱和一个不变量,可以认为是两类流面理论的精华。这个理论的建立,可以清楚地看出内部流动研究的特点,对于进一步研究其他内部流动现象也是很好的借鉴。

  还应当特别指出,这个理论把丰富的想象力、清晰的物理概念、严格的数学演绎和方便的工程应用完美地结合在一起,全方位地体现了工程科学之美。毫不夸张地说,这个基于两类流面的叶轮机械三元流动理论是一个全面展示工程科学之美的优秀范例。

   

  随着世界上第一颗人造卫星和第一个宇航员进入太空,人类第一次离开了地球母亲,开启了一个新的时代。继飞上天空之后,人类又面临飞离地球、进入太空这样一个需求,吴仲华和中国老一代科学家敏感地认识到推进装置的极端重要性和前所未有的科技难度,面对高温、高压、高速、高转速和化学反应交织在一起的复杂现象,为了研制出性能可靠、经济适用的推进系统,必须对其内部的工作过程有深入细致的了解,必须对能量以热的形式转化、输运和利用的规律进行系统、专门地研究,必须把各类热现象、热过程涉及的分散的工程热力学、内部流动气动热力学、传热传质学和燃烧学几门学科紧密结合在一起来考虑。这意味着必须把它们联系在一起,形成一门新的综合性应用学科,进行深入系统的研究,工程热物理学科于1958年在吴仲华的倡导下应运而生。

  作为研究能量以热的形式转化的规律及其应用的一门技术科学,工程热物理学科有着坚实的学科基础。对于一个推进装置,首先要从系统上进行研究,从工程热力学的角度来探讨其合理性和优越性,即用热力学第一定律和第二定律来分析、研究,从总体上加以把握。在推进装置和能源动力中,往往涉及各种流动问题,应当从牛顿三大力学定律出发加以研究,特别是要求解适用于旋转机械的Navier-Stokes方程和相应的边界条件,并在专门设计的、测试精准的试验平台上进行细致的实验。除了流动以外,还常常伴随着多种多样的传热传质现象,此时需要用Fourier定律等来分析。对于伴有燃烧过程发生的现象,更需要用化学反应动力学的定律和方程来加以研究。可见,工程热物理学的几个分支学科在其各自理论和定律作为基础的同时,还存在着内在的深刻的联系,这使得工程热物理学成为一门内部结构完整、逻辑性很强的学科。

  作为一门工程科学,半个多世纪以来,工程热物理学有了长足的进展,其应用范围也大为扩展。现在,它在航空航天推进、能源高效清洁利用、新能源开发、环境保护等领域发挥着越来越重要的作用。创建工程热物理学的影响已经充分显现,而且必将为科学和技术的发展做出日益显著的贡献。正如国际知名科学家田长霖先生所预言的那样,提出工程热物理学科的意义“随着时间的推移,将日益显现”。可以预期,随着临近空间高超声速飞行的实现和高效、清洁能源技术以及大规模可再生能源的利用,工程热物理学将迎来更为辉煌的时代。

   

  改革开放以后,我国进入了经济高速发展的时代。作为一位战略科学家,吴仲华先生敏锐地意识到,能源是社会和经济发展的重要基础,能源问题将成为我国和世界各国发展的重大制约因素,必须认真对待,应及早研究应对措施和解决办法,制定正确的能源开发和利用战略。

  1980年,他收到了中共中央书记处举办的科学技术讲座第二讲“关于能源问题”的邀请。经过广泛调研、深刻分析和缜密思考,他把讲座题目定为“中国的能源问题及其依靠科学技术解决的途径”。20世纪80年代初,我国的能源供应尚不紧张,能源问题也未引起各方高度重视,此时吴仲华已经清楚地看到能源问题的重要性,明确指出“能源是中国现代化的一个根本环节和战略重点”。

  报告中,吴仲华特别强调了节能和提高能源利用率的重大意义。在总结人类利用能源经验教训的基础上,他提出了“分配得当,各得其所,温度对口,梯级利用”这一高效利用能源的十六字原则。其中“温度对口,梯级利用”是热力学第一定律和第二定律的综合与总结,是普遍适用的科学原理,对节能和科学用能有重要的指导意义;他还进一步提出了“总能系统”的概念,来阐明能的梯级利用这一重要原理。

  与此同时,吴仲华着重指出了科学技术对解决能源问题的重要作用,特别提出必须努力发展高新技术,“科学研究工作必须先行”。在报告中,他还建议国家统一组织、领导,制定近期和远期规划;指出能源工业中产生的大量污染,建议重视环境保护工作;对各种能源,要从重要性、经济性、技术可行性、环保性等方面进行中综合、全面的比较,做到“分配得当,各得其所”。

  今天,当雾霾和气候灾难频发,当能源问题和环境问题困扰着人类的时候,对其进行战略性、前瞻性的研究十分必要。当前,“能源革命”的风暴席卷我国,这是我国能源充足、经济、清洁、低碳、长久供应的根本保证,是一个全局性的问题。根本的解决办法就是深入探讨“能源技术革命”的内涵,它对不同能源品种的具体要求是什么?怎样来实现?尽管我们现在还不能完全给出答案,但有一点是肯定的:哪种能源的技术革命越彻底,它在未来能源格局中发挥的作用就越大。

  历史在前进,时代在变化。与上世纪相比,我国和世界都发生了巨大改变。但无论如何变化,科学的精神、创新的思维、严谨的作风和扎实的工作,仍然需要坚持。因此,认真学习、深入研究、继承并且进一步发扬光大吴仲华的爱国情怀和学术思想,显得尤为重要。让我们在它的光芒照耀下,在科学的道路上不断攀登,为祖国的富强、人民的幸福,为科技事业的繁荣努力奋斗!

  (作者:徐建中,1940年生,中国科学院院士,中国工程热物理学会理事长,国际吸气式发动机学会(ISABE)副主席,《工程热物理学报》副主编。师从吴仲华先生,1967年研究生毕业后一直在其身边工作,长期从事叶轮机械气动热力学基础及应用研究,提出了叶轮机械三维激波关系,发展了三元流动理论。)