宗师风范—吴仲华

宗师风范 世代相传——吴仲华学术思想探讨

(一)叶轮机械三元流动通用理论——工程科学的美

随着第二次世界大战结束和各国经济的复苏与发展，航空事业受到前所未有的重视。特别是涡轮喷气发动机问世后便很快在航空发动机中占据压倒优势，使飞机突破了“声障”，实现了超声速飞行，为空中交通开辟了广阔的前景。为了进一步提高航空发动机的性能，发达国家投入大量的人力、财力和物力，研究工作如火如荼地开展起来。

正是在这样的社会和经济的背景下，刚在著名的美国麻省理工学院(MIT)获得科学博士学位的吴仲华应聘到当时的NACA(美国航空咨询委员会，NASA的前身)Lewis实验室(现在的Gleen研究中心)，开始了他航空发动机研究工作的生涯。

当时，摆在年仅三十岁的吴仲华面前的任务是如何准确地分析航空发动机的核心部件——叶轮机械内的复杂流动，来提高设计水平，改善其性能。对于这样一个三维粘性非定常流动，找到解析解是不可能的，必须使用那时刚刚问世的电子计算机，用数值计算来进行分析和设计。年轻的吴仲华毅然抛弃了流体力学中那时被推崇为高水平的解析求解方法，勇敢地迈向数值求解的道路。可以毫不夸张地说，吴仲华是国际上系统地从事工程数值计算方法的开拓者之一。今天，数值求解已经是工程和科学中普遍使用的有效手段，我们更不难体会先驱者们为开辟这条道路需要多么大的勇气，需要付出多少艰辛啊!

当时，叶轮机械内部流动的研究仍然沿用外部流动的方法，即将叶片视为相互之间没有关联的孤立翼型。这种办法，只能得到叶片平均半径进出口处的流动情况，而无法计算叶片沿叶高方向流动的变化。吴仲华认为，必须考虑叶片之间的相互作用，摒弃孤立翼型的方法。这是吴仲华做出的又一个重大的抉择。四十年后，他当时的主要争论对手Marble教授回忆起这段经历时，微笑着对我们说，“吴是对的，我当时错了。”Marble教授坦荡的胸怀，既是对吴先生工作的赞美，更是对我们这些后来者科学精神的教育。

面对叶轮机械内三维粘性非定常流动，要把粘性、三维、非定常这三个因素都准确地加以考虑，是不可能的，当然也是不必要的。实际上，即使在今天，人们也还不可能完整、准确地同时考虑这三个因素。因此，如何根据叶轮机械内部流动的主要特点，提出简化的模型，使问题的求解成为可能，就是首先必须解决的问题。从叶轮机械流动的基本方程来看，粘性项和非定常项都比较复杂，只有三维性比较简单一点。因此，以三维性为考虑主要因素，同时兼顾其他二者，有可能是可行的方法。为此，必须提出正确的简化模型。在粘性项的处理中，最有特色的是吴仲华将在试验中可以测得的流动损失数据转换为熵的变化，而在基本方程中巧妙地用熵的梯度来代替粘性项；同时，引入了后来广泛采用的相对运动滞止转子焓。经过这样的分析和严谨的推演，叶轮机械三维流动的基本方程中动

量方程中就不再出现形式复杂、难以求解的粘性项，而代之以熵的梯度；而能量方程也以转子焓的变化来表达。流动的基本方程就这样被大大简化，显得非常简洁，为进一步求解打下了很好的基础。

同时，在相对定常流动的假定下，可以想象叶片之间的三维流动有无数条流线，而这些流线又可以组成许许多多不同类型的流面。只要知道了这些流面上流体的流动，就知道了整个的三维流动，这样问题也就转化为流面上二维流动的求解。进一步分析不难发现，按照不同规律形成的流面千变万化，没有必要求解所有流面上的流动，而只有选择按某一种原则构成的流面来求解就可以了。注意到这些流面上的流动相互之间是密切关联的；而要找到这种关联，必须考虑按不同规律形成的另一类流面，对这种流面的唯一要求是必须与前一种流面相交。这就是吴仲华先生两类流面理论的基本物理模型。

为了建立两类不同流面上流动之间的关系，引入了流面偏导数的概念，导出了其与通常的空间偏导数的关系；通过这个桥梁，从上述叶轮机械三维流动的基本方程，就可以简便地得到两类流面上流动的基本方程。这些新得到的方程，与通常流体力学中的二维流动基本方程有着重大的不同：除了用流面偏导数代替通常的偏导数外，在前者中出现了流片厚度和流面之间作用力这两个量，它们都有明确的物理意义。在求解了这些方程后，将它们相互叠代，所得到的收敛解便是三维流动的解。更进一步，从工程应用的角度考虑，选择有明显物理含义的S1流面和S2流面作为两类流面。

这样，两类流面模型就将当时条件下无法求解的十分复杂的三维流动分解为相互关联的两族流面上的二维流动，使其求解成为可能。显然，这是一个无比巨大的贡献，对推动叶轮机械的发展，对促进航空发动机和燃气轮机的发展起了重大的作用。

从上述分析不难看出，吴仲华先生创立的两类流面理论将丰富的想象力、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。可以毫不夸张地说，这个理论是全面展示工程科学美的优秀范例之一。

今天，当我在从事科学研究工作时，我多么渴望我们中国的科学家能继续做出类似的漂亮的工作，为人们称道啊。

(二)创建工程热物理学科——一代宗师的风采

大家知道，力学和热学分别是物理学的第一章和第二章。自1904年Prandtl提出了边界层的概念后，力学获得了迅速的发展，形成了一个完整的、与工程实际紧密结合的力学学科。

尽管热学与工程实际也有着十分密切的联系，但在上世纪六十年代以前却没有成为一个独立的学科，四十年代后期以来，发达国家社会与经济的迅猛发展，特别是对航空航天动力的迫切需求，投入了空前的人力、物力和财力，系统、深

入地研究在这些动力装置中复杂的能量转换过程，提高它们的性能和经济性成为当务之急。与其他动力装置比较，航空发动机和航天的推进动力内部过程包括流动、传热传质、燃烧现象和它们的集成，由于高温、高压、高速和化学反应交织在一起，这个过程极为复杂，研究的难度也大为提高。正是在非常需要对这一综合的过程进行专门研究的时候，六十年代初期吴仲华先生不失时机创造性地提出了工程热物理学科的概念。为了推动工程热物理学的发展，他与许多老一辈科学家一道创立了中国工程热物理学会、《工程热物理学报》，以后他又创立了中国科学院工程热物理研究所和中国科学技术大学工程热物理系。

工程热物理学是一门研究能量以热的形式转化的规律及其应用的技术科学，它研究各类热现象、热过程的内在规律，并用以指导工程实践。工程热物理学有着自己的基本定律：热力学的第一定律和第二定律、Newton力学的定律、传热传质的定律和化学反应的定律。在这些定律和反映其本质的基本方程的基础上，需要根据研究对象的不同特点，在特别设计的实验装置上进行多种细致、可靠的试验，以发现其特有的规律和基本特征，为设计提供理论依据和计算方法，并在工程实践中加以应用、验证和不断完善。由此可见，作为一门技术科学学科，工程热物理学的研究既包含知识创新的内容，也有许多技术创新的内容，是一个完整的学科体系。

虽然工程热物理学的诞生与航空航天推进的飞速发展紧密相关，但它在其它动力设备中也有广泛的应用对象，这也是这一学科自诞生以来发展迅速的重要原因。特别是近年来，随着能源与环境问题成为社会和经济发展的瓶颈，工程热物理学的用武之地更为宽阔，已经成为提高能源利用效率、减少污染的有力武器。可以预期，在解决能源与环境问题中，在研发高性能航空发动机和航天推进动力中，工程热物理学将取得巨大的发展。

应当指出，随着研究对象的不断扩展，工程热物理学的研究内容也在进一步扩大着。例如，如今工程热物理学研究的对象不仅限于“热”的问题，也在研究“冷”的问题(包括各种反循环和制冷的问题)及不“热”不“冷”的问题(如各类流体机械和风能利用等)。

我们特别注意到，工程热物理学已经不再只是停留在研究宏观问题的层面，它也在向微观的领域进发。如今，各种微动力装置和热设备应运而生，微、纳尺度下特有的种种现象，提出了一系列有趣的研究课题，这将是工程热物理学科发展的一个崭新的方向，这也是其今后蓬勃发展的一个重要方面。

写到这里，我不由得想起国际知名科学家田长霖先生生前讲过的一段话，“吴仲华先生一生对科学的主要贡献有两个，一是创立叶轮机械三元流动理论，这已经是举世公认的了；另一是他提出了工程热物理学科，这一点还没有为充分认识，但它的意义随着时间的推移，会日益显现。”我想，今天在吴先生九十诞辰之际，我们应当进一步研究、阐明工程热物理学科的意义和内涵，让它在科技发展和国家建设中发挥更大的作用。

(三)研究能源发展战略——战略科学家的典范

1980年8月，为准备中共中央书记处举办的科学技术知识讲座做报告，吴仲华先生开始关注能源方面的问题。在准备的过程中，他阅读了大量的国内外文献，参考了各种报告和文件，进行了认真的思考和细致的分析，还组织同事们展开热烈的讨论，倾注了大量的心血。

那时，我国的能源供应还不紧张，能源问题也没有引起各方面的足够重视。但即使是在那样的形势下，吴仲华先生仍然敏锐地意识到能源问题不久即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，特别是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。当时，他把演讲的题目就定为“中国的能源问题及其依靠科学技术解决的途径”，这是多么有预见啊!在报告中，他明确地指出，“能源是中国现代化的一个根本环节和战略重点”，这又是多么贴切啊!

在这个报告中，吴先生特别强调了节能和提高能源利用效率的特殊重要性。在认真总结人类利用能源的经验教训的基础上，他提出了“温度对口，梯级利用”的高效利用能源的原则，这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，对指导节能和科学用能有重要的意义。二十多年过去了，今天这八个字已经广为人知、深入人心了，对节能和科学用能发挥了巨大的作用。但是，也应当看到，在许多场合下，进一步贯彻这一原则还有很大的潜力，它仍然是我国今后一段时期内节能降耗工作的主要指导思想之一。不仅如此，还应当指出，节能、科学用能与清洁生产、资源循环利用一起，已经成为我国走新型工业化道路、发展生态工业的主要基点。

正如讲座的标题所表明的，吴先生着重指出了科学技术对解决能源问题的重要作用，认为必须努力发展高新技术，“科学研究工作必须先行”。在报告中，他建议国家统一组织、领导，制定近期和远期规划；提出注重能源工业中产生的大量污染，重视环保工作；对各种能源，要从重要性、经济性、技术可行性、环保性等方面进行综合、全面比较，做到“分配得当，各得其所”。

今天，当能源与环境问题困扰着人类的时候，对它们进行前瞻性、战略性研究的意义已经不言而喻了。在这些研究中，如何根据新的形势，创新地提出有见地的看法和可行的解决办法，则是我们要进一步思考的问题。在这样的时刻，认真学习吴仲华先生的科学思想和科学方法，显得十分重要。

历史在前进，时代在变化。今日我们所处的环境已经与上个世纪有了天壤之别，但我想，我们仍然需要以科学的精神、创新的思维和严谨的作风，扎扎实实地做好工作。因此，我们要认真学习、深入研究并进一步发扬光大吴仲华学术思想，这是一笔多么宝贵的财富啊!愿它的光芒照耀着我们前进的航程，指引我们在科学的道路上不断攀登，为祖国的富强、人民的幸福，为科学技术事业的繁荣努力奋斗。

2007年“五一”于中关村

作者简介：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。其师从吴仲华先生，1967年研究生毕业后一直在吴先生身边工作，深受吴先生教诲与喜爱。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。曾获国家自然科学二等奖、中科院重大科技成果一等奖及国防科学技术一等奖等。