陳乃興先生的主要學(xué)術(shù)成就和對科技發(fā)展的重要貢獻：隆重紀(jì)念陳乃興先生逝世一周年

王保國，黃偉光，徐燕驥

1.北京理工大學(xué)，北京 100081

2. 中國科學(xué)院 上海高等研究院，上海 201210

3.上海新喆機電技術(shù)發(fā)展有限公司，上海 201821

2019年8月6日是中國著名工程熱物理學(xué)家、國際著名系列會議即國際內(nèi)流氣動熱力學(xué)會議(International Symposium on experimental and computational Aerothermodynamics of Internal Flows, ISAIF)的主要發(fā)起人之一、熱科學(xué)雜志《Journal of Thermal Science》的創(chuàng)始人、中國科學(xué)院工程熱物理研究所第2任所長陳乃興先生逝世一周年的紀(jì)念日。陳乃興先生一生鞠躬盡瘁、殫精竭慮，為中國工程熱物理學(xué)科的發(fā)展以及燃氣輪機和航空發(fā)動機的設(shè)計與研制做出了重大貢獻。

陳乃興先生，1933年9月29日生，原籍廣東省番禺縣。1951—1952年就讀于清華大學(xué)，1953年10月赴蘇聯(lián)莫斯科包曼高等工業(yè)大學(xué)熱能與流體機械系學(xué)習(xí)，1958年3月學(xué)成回國并先后在哈爾濱汽輪機廠、國防部第七研究院第三研究所以及海軍論證部工作。早在1963年，陳乃興先生就被授予工程師技術(shù)職稱、任研究室主任(正團職)。1978年10月吳仲華先生邀請陳乃興先生前往中國科學(xué)院力學(xué)研究所工作，并專門為他組建了葉輪機械內(nèi)部黏性流動計算課題組。1980年，中國科學(xué)院工程熱物理研究所成立，吳仲華先生任第一任所長，陳乃興先生先后任副所長和第二任所長。兩位老所長為中國科學(xué)院工程熱物理研究所的創(chuàng)建和飛速發(fā)展，為努力提升研究所在國際學(xué)術(shù)界的位置做出了卓越的貢獻。另外，陳乃興先生曾擔(dān)任清華大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等多所大學(xué)兼職教授，長期擔(dān)任《中國科學(xué)》《科學(xué)通報》《航空學(xué)報》《工程熱物理學(xué)報》《航空動力學(xué)報》等著名雜志的編委，擔(dān)任過許多國際學(xué)術(shù)機構(gòu)的評審委員和組委會主席等。

對于陳乃興先生的主要學(xué)術(shù)成就和對科技發(fā)展所做出的重要貢獻，以下分6個方面扼要概述。

1 對工程熱物理基礎(chǔ)理論的貢獻

在葉輪機械學(xué)術(shù)領(lǐng)域中，吳仲華先生是全世界公認的學(xué)術(shù)大師，他創(chuàng)立的三元流理論和兩類流面S1與S2交叉迭代的思想[1-2]為葉輪機械氣動熱力學(xué)的發(fā)展搭建了基本的框架[3-4]，而陳乃興先生則是進一步完善和開拓這個基本框架的踐行者、建設(shè)者和葉輪機械優(yōu)化設(shè)計的領(lǐng)路人[5-38]。從這個意義上講，吳仲華先生作為中國科學(xué)院工程熱物理研究所的首任所長，陳乃興先生接任吳仲華先生作為中國科學(xué)院工程熱物理研究所的第二任所長眾望所歸。吳仲華先生為工程熱物理界留下了《吳仲華論文選集》[4]這部不朽的巨著，陳乃興先生則為工程熱物理界留下了光彩奪目的3部著作[36-38]。需要特別說明的是，文獻[36]是陳乃興先生在76歲高齡時完成的英文版專著，這部長達445頁的英文版專著凝聚著他半個世紀(jì)以來從事葉輪機械氣動熱力學(xué)研究的心血與經(jīng)驗。該書由英國劍橋大學(xué)Whittle實驗室Denton教授作序，由國際著名出版社John Wiley & Sons出版發(fā)行，得到了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界一致高度的評價[39]。

為了進一步闡述陳乃興先生對工程熱物理學(xué)科基礎(chǔ)理論方面所做出的貢獻，再從以下3個側(cè)面予以說明。

1.1 模擬彎扭葉片復(fù)雜渦系結(jié)構(gòu)

陳乃興先生利用他自行研發(fā)的全三維黏流計算方法與程序，對彎扭葉片流場細微復(fù)雜渦系結(jié)構(gòu)進行了詳細的數(shù)值模擬，揭示了流場內(nèi)各種二次流的生成和發(fā)展，以及由其衍生出的各種集中渦系的互相干擾，如圖1所示；提出了采用葉片彎曲來控制各種渦系，尤其是通道渦系的穩(wěn)定性，以降低流場內(nèi)能量損失的方法。陳乃興先生的這部分科研成果分別于1999—2001年間在2000年國際熱科學(xué)與流體力學(xué)會議和國際ISAIF等國際會議上，以大會特邀報告的形式發(fā)表，相關(guān)內(nèi)容可參閱文獻[36]。

圖1 渦輪葉片通道內(nèi)復(fù)雜渦系結(jié)構(gòu)

1.2 非正交曲線坐標(biāo)系下葉輪機械三維黏流基本方程組的張量表達

陳乃興先生利用矢量與張量運算，建立了適用于非正交曲線坐標(biāo)表達的葉輪機械三維流動求解的基本方程組，給出了方程組中黏性項、傳熱項、熵增、黏性力及其做功量和耗散函數(shù)等的矢量與張量的具體表達式及其物理含意，并建立了旋渦、速度矩和流線傾角的關(guān)系式等。該成果發(fā)表在《中國科學(xué)》雜志上[5]，并于1989年榮獲中國科學(xué)院自然科學(xué)二等獎。

1.3 葉片設(shè)計與優(yōu)化的創(chuàng)新

陳乃興先生首次提出了應(yīng)用J形葉片、特殊馬刀形葉片的優(yōu)化概念、理論與方法。通過對流場的詳細分析，發(fā)現(xiàn)了J形葉片、特殊馬刀形葉片等具有比普通馬刀形和直葉片更高的效率；首次詳細分析并揭示了葉片軸向彎曲的機理，提出了葉片軸向彎曲能夠控制附面層分離的重要概念。

2 系統(tǒng)發(fā)展了葉輪機械氣動反問題的理論與求解方法

在葉輪機械中，反問題即設(shè)計問題是十分重要的。陳乃興先生系統(tǒng)地提出并發(fā)展了葉輪機械反問題的求解方法。這些方法系統(tǒng)、全面，在理論上的貢獻主要反映在以下5個側(cè)面：① 用反求度量張量求解雜交問題的方法；② 用兩種流函數(shù)求解三維正、反與雜交問題的統(tǒng)一解；③ 求解黏性流的“給定流線法”；④ 求解黏性流的壓力殘差修正法；⑤ 用準(zhǔn)三維反問題與三維Navier-Stokes解法相互迭代的三維算法體系。

陳乃興先生在葉輪機械反問題方面的相關(guān)文章，被美國Lakshiminarayana和Dulikravich以及馮·卡門研究所的Braembussche等國際學(xué)術(shù)界著名教授與學(xué)者在其論文中多次引用。此外，受日本東京大學(xué)著名反問題與優(yōu)化問題專家Fujii教授的邀請，陳乃興先生參與《Recent development of aerodynamic design methodologies: Inverse design and optimization》一書中有關(guān)葉輪機械氣動反問題一章的撰寫，詳見該書113～146頁[40]。

長期以來，陳乃興先生一直努力發(fā)展葉輪機械正問題與反問題的求解方法，發(fā)表了近150余篇論文、出版了3部專著[36-38]，并且一直致力于把設(shè)計技術(shù)應(yīng)用到工程實踐(見本文第4節(jié))，因此于2002年以“葉輪機械氣動正、反問題的求解與設(shè)計優(yōu)化的研究”項目第一完成人榮獲國家自然科學(xué)二等獎。

3 與國際同步、獨立自主地發(fā)展了葉輪機械全三維黏性流動正問題求解方法與程序

20世紀(jì)70年代，末陳乃興先生已經(jīng)成立與領(lǐng)導(dǎo)著一個實力很強的葉輪機械黏性流體力學(xué)課題研究組，1994年陳乃興和黃偉光作為中國科學(xué)院工程熱物理研究所團隊代表參加了ASME Rotor 37 盲題測算。因此，從時間上來看，陳乃興先生的工作是與國際同步的，如圖2所示。

陳乃興先生所領(lǐng)導(dǎo)的課題組共發(fā)展了3套葉輪機械全三維黏性流動的正問題求解方法和程序，陳乃興先生團隊首次將時間推進的有限體積法應(yīng)用于葉輪機械全三維黏性流動問題的數(shù)值求解，所研發(fā)的全三維黏流設(shè)計方法與軟件得到了國內(nèi)外試驗的驗證和同行的公認。另外，在國外講學(xué)時，陳乃興先生的數(shù)值計算結(jié)果獲得了德國Aachen大學(xué)的Gallus教授、法國宇航院的Meauze博士等學(xué)者的認可與高度評價，他們認為陳乃興先生的數(shù)值結(jié)果與他們的試驗結(jié)果吻合得很好。

下面著重介紹陳乃興先生成功地參加國際“Rotor 37單轉(zhuǎn)子壓氣機性能盲題測算”的情況。1994年ASME國際燃氣輪機委員會組織了NASA Rotor 37單轉(zhuǎn)子壓氣機三維黏流的盲題測算，陳乃興先生主動寫信報名參加。雖然這項工作難度很高、壓力大，但是陳乃興先生很有信心，他堅信數(shù)十年來親自發(fā)展的理論方法和措施是正確的。當(dāng)時全世界僅有11個單位報名參算，其中美國5個，英國2個，瑞士2個，意大利1個，中國1個(即陳乃興和黃偉光所代表的中國科學(xué)院工程熱物理研究所，是國內(nèi)唯一提交報告的研究單位)。Denton教授在1994年ASME專題報告會和1996年ISAIF大會上介紹參算結(jié)果時，高度評價了陳乃興和黃偉光的測算結(jié)果，認為陳乃興和黃偉光用微機(PC 486/90)所獲得的結(jié)果是非常不容易的。圖3給出了1994年ASME大會公布的11個參算單位的測算結(jié)果，可以看到，陳乃興和黃偉光的計算結(jié)果令人滿意，在這場國際高技術(shù)挑戰(zhàn)與競賽中，陳乃興先生為祖國贏得了榮譽。此外，陳乃興和黃偉光所提交的數(shù)值模擬程序也被認為是世界十大優(yōu)秀程序之一。

圖2 數(shù)值計算方法的發(fā)展

圖3 Rotor 37性能測算結(jié)果

4 研究成果的轉(zhuǎn)化及工程應(yīng)用

陳乃興先生一直十分重視并極力推廣科研成果的轉(zhuǎn)化和工程應(yīng)用，取得了很大的經(jīng)濟效益和社會效益。以下從4個側(cè)面扼要介紹陳乃興先生的研究成果在不同領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用。

4.1 航空工業(yè)領(lǐng)域

陳乃興先生一直被聘為中國航空發(fā)動機顧問組成員，多年來他為中國航空發(fā)動機的發(fā)展獻計獻策，貢獻力量。

1995—1996年間，沈陽發(fā)動機研究所承擔(dān)國家“863”計劃“發(fā)動機跨音風(fēng)扇設(shè)計”研究項目。在項目執(zhí)行期間，該所將陳乃興先生所發(fā)展的三維黏流計算程序作為完成該項目的核心程序，對該風(fēng)扇進行了設(shè)計，使得風(fēng)扇性能達到了國際先進水平。美國壓氣機方面的權(quán)威專家Wennerstrom在向有關(guān)方面咨詢沈陽發(fā)動機研究所的設(shè)計方案與試驗測試結(jié)果時，高度評價了上述跨音風(fēng)扇的氣動設(shè)計工作。此外，該所采用陳乃興先生的程序完成渦輪性能的計算，也得到了很好的結(jié)果。為此，沈陽發(fā)動機研究所在2000年5月25日專門出具書面證明，認為陳乃興先生的這套程序優(yōu)于當(dāng)時該所引進的國外程序。

4.2 能源工業(yè)領(lǐng)域

陳乃興先生所領(lǐng)導(dǎo)的課題組參與了北京三維公司的汽輪機設(shè)計工作，利用所發(fā)展的全三維黏流計算程序完成了高中壓典型彎扭葉片的全三維流場計算，數(shù)值結(jié)果表明：采用彎扭葉片可提高汽輪機級效率2%以上。在此基礎(chǔ)上，該公司完成了20臺200 MW級汽輪機的改造，取得了十分顯著的經(jīng)濟效益。此外，陳乃興先生還與上海汽輪機有限公司合作完成了“汽輪機葉片全三元氣動設(shè)計體系開發(fā)”項目，并榮獲上海市技術(shù)振興一等獎。上述2個項目的研究成果已成功用于54臺汽輪機機組的改造，機組運行3年來為國家節(jié)省了上億元的煤耗。

4.3 國防裝備領(lǐng)域

陳乃興先生在國防部第七研究院第三研究所工作期間，負責(zé)并參與了實驗基地建設(shè)，組織和參加了中國第1臺艦用汽輪機的設(shè)計和第1臺艦用燃氣輪機的試驗研究工作，取得了大量創(chuàng)造性的科研成果。另外，在海軍論證部工作期間，陳乃興先生組織和參與了兩種型號艦艇動力裝置的技術(shù)論證工作，同時作為研制單位參試的總負責(zé)人參加了某型驅(qū)逐艦高海情適航性試驗工作。此外，在多年的工作實踐基礎(chǔ)上，陳乃興與李根深、強國芳共同撰寫出版了《船用燃氣輪機軸流式葉輪機械氣動熱力學(xué)(原理、設(shè)計與試驗研究)》一書，該書得到了吳仲華教授的高度評價。正是由于其在艦船動力工程方面取得的顯著成就，陳乃興先生于1978年被全國科學(xué)大會授予“在我國科學(xué)技術(shù)中做出了重大貢獻的先進工作者”的榮譽稱號并獲得了獎狀。

4.4 國際合作

受Skoda公司委托，陳乃興先生先后于1997年和1999年對該公司的多組葉片進行了彎扭造型的優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計中發(fā)現(xiàn)：將特殊馬刀型葉片應(yīng)用于透平，能夠有效地保證葉片的高效率。此外，陳乃興先生還與希臘Papailiou教授合作完成了“離心壓氣機三維黏流計算研究”和“葉輪機械反問題設(shè)計”，也得到了對方的高度評價。

5 努力提高中國工程熱物理學(xué)科的國際地位

陳乃興先生是國際內(nèi)流氣動熱力學(xué)會議的主要發(fā)起人之一，并曾任三屆組委會主席，現(xiàn)該會議已成為兩年一次的國際著名系列會議。另外，陳乃興先生也曾擔(dān)任歐洲計算流體力學(xué)以及Minsk國際傳熱傳質(zhì)大會等7個國際會議的委員會委員。此外，陳乃興先生創(chuàng)辦了《Journal of Thermal Science》雜志并擔(dān)任主編，該雜志現(xiàn)已成為SCI和EI檢索的重要刊物，成為國際工程熱物理學(xué)界科學(xué)工作者進行學(xué)術(shù)交流的重要平臺。

6 將不確定性理論納入航空發(fā)動機的設(shè)計體系

2005年，陳乃興先生專門與相關(guān)學(xué)者探討將不確定性多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化(Uncertainty-based Multidisciplinary Design Optimization, UMDO)引入航空發(fā)動機設(shè)計的問題。陳乃興先生強調(diào)說：“航空發(fā)動機的設(shè)計是一項非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程[41-42]，在航空發(fā)動機的設(shè)計與研制中存在著許多不確定性的因素，而常規(guī)的航空發(fā)動機設(shè)計方法與目前國家出版的航空發(fā)動機設(shè)計手冊，基本上都是在多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化(Multidisciplinary Design Optimization，MDO)的框架下進行的?！标惸伺d先生說：“努力把MDO與UMDO兩方面的工作做好，應(yīng)該是大家共同努力奮斗的方向。”遵照先生的教導(dǎo)，經(jīng)過近15年的不懈努力，一部題為《航空渦扇發(fā)動機多目標(biāo)多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法》的專著終于在2019年3月由機械工業(yè)出版社出版發(fā)行。這部679頁的航空發(fā)動機多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法的專著，榮獲了2019年國家出版基金的獎勵[43]。在這部專著中，除了全面總結(jié)吳仲華先生的三元流理論和陳乃興先生的反問題快速優(yōu)化設(shè)計方法之外，還系統(tǒng)地研究了不確定性優(yōu)化的理論與方法，并將其納入航空發(fā)動機的設(shè)計體系。從這個意義上講，這部專著填補了中國在這個領(lǐng)域的學(xué)術(shù)空白。同時，該書也是獻給中國工程熱物理學(xué)界的兩位領(lǐng)軍人物——吳仲華先生和陳乃興先生的一部學(xué)術(shù)專著，是晚輩們在兩位恩師的長期教誨與精心指導(dǎo)下所完成的一份圓滿的學(xué)術(shù)答卷。

7 結(jié)束語

陳乃興先生一生熱愛祖國、勤奮敬業(yè)、嚴(yán)謹求實、鞠躬盡瘁，為工程熱物理學(xué)科的研究與發(fā)展、為提升中國在國際學(xué)術(shù)界的地位貢獻了自己畢生的精力。他的研究成果理論與實踐并重，不僅進一步促進了工程熱物理學(xué)科相關(guān)理論的發(fā)展，而且還在工程上得到了十分成功的應(yīng)用，有力地保證了中國武器裝備動力系統(tǒng)的研制和性能水平的進一步提升，并得到了國內(nèi)外著名學(xué)者和知名研究機構(gòu)的一致認可和高度評價。陳乃興先生為人善良、淳樸謙虛并提攜晚輩，是大家永遠尊重與愛戴的學(xué)術(shù)大師和領(lǐng)路人！