馭風飛翔——記西北工業大學航空學院教授、博士生導師韓忠華

本刊記者 張春壯

韓忠華在工作

他提出了新的cokriging代理模型和分層kriging代理模型理論和算法，均發表于航空航天領域頂級期刊《AIAA Journal》；他主持研發了基于代理模型的通用優化工具箱“Surro Opt”，其優化效率比遺傳算法等可提高1～2量級；他設計出自然層流超臨界翼型LSC72513和LSC74612，可使跨聲速機翼阻力減小15%；他設計的9%厚度的新旋翼翼型，其優良性能已得到風洞試驗驗證；他改進了NPU兆瓦級風力機翼型族的粗糙度敏感性，并設計了一族18%～60%厚度的NPU多兆瓦級風力機翼型……

他的每一次創新，都于細節之處促進飛行器性能的提升；他的每一個項目突破，都直擊本領域內關鍵科學與技術問題。他是孜孜不倦于空氣動力學領域研究的科技先鋒。

他1996年本科畢業于位于古城西安的西北工業大學，其后在流體力學專業獲先后獲得碩士、博士學位，從此成為廣大航空科學技術領域研究隊伍中平凡的一員，開始了艱苦卓絕的旅程。如今，作為西北工業大學航空學院教授、博士生導師的韓忠華甘當人梯，為自己的學生攀登科學高峰保駕護航。

創新引領 實現飛行器設計的奇思妙想

鳥兒在天空自由地飛翔，這讓行走在地上的人類長久仰望……

藍天的自由、太空的奧秘、莫測的變幻，人類想知道的太多……

好奇心和創造力，推動了人類對鳥類或彈丸在飛行時受力和力的作用方式的研究，從而產生了流體動力學。20世紀以來，隨著航空科學技術的發展，空氣動力學從流體動力學中發展出來，成為力學的一個分支。空氣動力學研究的是，飛行器或其他物體在同空氣作相對運動情況下的受力特性、流動規律和伴隨發生的物理化學變化。飛機系畢業的韓忠華，將自己定位在了這個領域，并從此開始了在該領域的艱苦跋涉。

高效定常、非定常流動CFD (計算流體力學)數值模擬方法和主動流動控制是韓忠華博士論文期間做的主要研究方向。這一研究發展了基于預處理方法和多重網絡技術的低、亞、跨、超聲速流動的統一數值求解方法及用于非定常流動計算的全隱式雙時間推進方法。他將該方法應用于基于合成射流的翼型主動流動控制數值模擬，并發現了合成射流動量系數一般必須在0.001以上，射流偏角在45度以下才能獲得較顯著流動分離控制效果的規律。

空氣動力學代理模型理論、算法及應用是韓忠華在德國留學期間開展的一項新的研究。他先后提出了梯度增強kriging模型、co-Kriging模型、分層kriging模型等一系列代理模型新理論和方法。通過引入梯度信息，他發展了一種梯度增強的Kriging模型，提高了Kriging模型的精度和建立代理模型的效率。他將統計學co-Kriging模型推廣到航空領域的計算機數值模擬實驗中，發展了一種新的變可信度的代理模型。他還提出了分層Kriging模型理論和算法，改善了傳統變可信度模型的魯棒性和不確定度估計。同時，韓忠華還發展了基于Kriging模型的飛機壓力分布的氣動數據插值方法以及CFD數據與實驗數據的融合方法。代理模型工具箱 (rsm toolbox) 和變可信度模型工具箱 (vfm toolbox)的開發和應用，也是空氣動力學代理模型研究的成果之一。空中客車公司的研究人員已將其成功應用到螺旋槳槳盤數據插值中，以及超臨界機翼帶增升裝置的氣動荷載預測；歐洲防務的研究人員則將其應用于無人機氣動數據分析，并認為“該工具明顯優于商業軟件”。

高效空氣動力學與多學科優化設計理論與算法，是韓忠華2010年回國后所在團隊的主攻研究方向之一。傳統的空氣動力學設計是一種“試湊法”，強烈依賴于設計者經驗，需要反復修改外形，直到滿意為止；其缺點是設計周期長，無法得到最優外形。而氣動優化設計是將CFD數值模擬和優化算法相結合，利用計算機自動獲得滿足性能要求的最優外形的一門學科分支。多學科優化設計則是在優化過程中，同時考慮多個學科之間的相互影響，自動找到綜合最優的飛行器設計方案的學科。氣動和多學科優化設計方法的應用，將可能改變傳統的飛行器設計的理念和模式，使飛行器性能有大幅度提升。為了適應氣動和多學科優化設計研究的需要，韓忠華和他所在團隊目前已經開發了一種多目標、多約束高效通用優化工具箱“Surro Opt”，并發展了氣動外形參數化程序“FoilParam”、高質量計算網格生成/再生成程序“FoilGrid Gen”、高效CFD計算程序“PMNS2D”等一系列配套工具。未來若干年，韓忠華和他所在研究團隊將致力于解決基于高可信度CFD的氣動與多學科優化設計理論和算法面臨的一些關鍵科學與技術問題，力爭將該領域的研究往前扎實推進一步。

在韓忠華和他所在的團隊里，創新思維活躍，學術氣氛濃厚，還開展一些具有原創性的研究。2010年回國后，韓忠華根據在國外研究期間得到的啟發，獨立提出了建立基于XML語言的通用氣動數據庫技術的研究方向。經過4年多的研究，已經突破了基于XML語言的半結構化數據標準的設計、氣動數據庫總體框架和集成技術設計、基于氣動數據庫的快速數據插值與優化設計等一系列關鍵技術。眾所周知，未來將是數據科學的時代，氣動數據庫技術的研究，將可能成為空氣動力學研究的一個重要分支。而韓忠華和他所在研究團隊正在努力推動這一方面的研究和發展。

默默堅守 做一流研究

揮戈藍天，無論是在西北工業大學的學習、教學和科研，還是在德國宇航中心（DLR）空氣動力學與流體技術研究所4年的實踐，韓忠華從來都是全身心投入，默默堅守。

高效氣動與多學科優化設計理論、方法及應用，是韓忠華回國后傾入心血最多的研究課題之一。韓忠華意識到，要在該領域開展一流研究，就必須發展自己的研究工具。然而開發研究工具周期長，見效慢。韓忠華認為，科學研究是一門需要等待的藝術，只有默默堅守，才能做出一流研究工作。前后歷時8年時間，韓忠華主持開發了通用優化工具箱“SurroOpt”。經過大小幾十種算例測試，表明SurroOpt優化效率高(比遺傳算法可提高1～2量級)、全局性好，且具有多目標優化和并行優化的能力。目前，該軟件的開發得到了商飛上飛院、航空工業氣動院、北京機電工程研究所等研究所和工業部門的支持，并應用于超臨界翼型、層流翼型、旋翼翼型、風力機翼型設計以及機翼設計、增升裝置設計、螺旋槳槳尖形狀優化、旋翼和螺旋槳的氣動/聲學綜合優化、運輸機氣動/結構綜合優化設計。

此外，在SurroOpt研發的基礎上，他們還發展了基于梯度增強kriging模型的高維氣動優化設計方法以及基于雙EI和分層Kriging模型的變可信度全局優化方法等新的氣動優化設計算法。在2015年美國AIAA氣動優化設計研討會中，韓忠華和他所在團隊參加了2個翼型減阻優化設計的算例研究，結果表明所優化的翼型阻力小于同行優化的翼型。另外，韓忠華還將基于代理模型的優化方法應用于接近實際民機外形的翼身組合體精細氣動設計，結果表明在40～80個設計變量的優化設計中，基于代理模型的優化外形比采用梯度優化算法的優化外形的阻力小5 counts；這說明了在精細氣動優化設計中采用全局優化算法的必要性。目前，韓忠華和他的團隊仍在默默堅守，潛心研究，力爭開發出更先進、更實用、更高效和更魯棒的氣動優化設計工具。

翼型設計是空氣動力學設計領域的一項基礎研究工作，也是一項非常具有挑戰性的工作。韓忠華自2010年回國后，繼承導師喬志德教授的遺志，夜以繼日地開展翼型的氣動設計研究。在他的潛心鉆研下，所設計的自然層流超臨界翼型LSC72513和LSC74612，可以配置在高亞聲速運輸機翼上，用于維持機翼表面50%左右的層流，使機翼阻力減小15%以上。他還參加了旋翼翼型的設計工作，所設計的9%厚度新翼型經過西北工業大學NF-6高速翼型風洞試驗驗證具有優良性能。此外，在“863”項目的資助下，韓忠華在宋文萍教授領導的研究團隊中負責NPU兆瓦級風力翼型的改進設計和多兆瓦級風力機翼型族的設計研究。經過西北工業大學NF-3低速翼型風洞試驗驗證，表明所設計的21%和25%厚度改進翼型在保持高升力系數下高升阻比特性的同時，較大幅度改善了最大升力對前緣粗糙度的敏感性。最近，他還設計了一族18%～60%厚度的多兆瓦級風力機翼型，并準備開展試驗驗證。長期盯著電腦屏幕開展翼型設計工作，使得他兩只眼睛長時間充滿血絲，但他默默堅守、無怨無悔。

嚴而不苛 育一流人才

俗語云，千里馬常有，而伯樂不常有。韓忠華樹立了“做一流研究、育一流人才”的堅定信念。在他的眼里，“只有做出一流的研究，才能培養出一流人才”。這么多年，他一直在相關研究領域不斷追求卓越，不斷實現自我突破，努力踐行著這一理念。

韓忠華和他所在團隊，一直堅持“以培養學生為首先任務，以學生全面成長為目標”的理念。為此，韓忠華非常注重學生全方位能力的培養，他除定期開展課題組學術討論外，還花大力氣對學生進行培訓，例如“如何做研究”“如何寫論文”“研究生綜合研究能力培養”等專題培訓。他在學術上對學生要求非常嚴格，但其他方面卻努力為學生打造比較寬松自由的研究環境。

韓忠華認為，“要想做出世界一

【創新之路】Way of Innovation流的研究工作，培養出頂尖人才，不僅需要有一流的研究設備和軟硬件條件、一流的科學研究方法和人才培養模式，同時也需要打造一流的研究團隊”。從2007年出國開始，韓忠華便有一個夢想，希望能回國后能開創自己的研究事業。他希望建立一支“氣動與多學科設計優化，Aerodynamic and multidisciplinary design optimization”研究團隊，并逐漸發展壯大為實驗室。他的目標是：爭取在3—5年時間內，可以成為與美國斯坦福大學“航空宇航設計實驗室”、美國密歇根大學“MDO實驗室”、英國謝菲爾德大學“空氣動力學團隊”、瑞典皇家理工“空氣動力學團隊”以及德國宇航中心氣動所“氣動與多學科優化設計研究團隊”的并跑者；爭取在5～10年內或更長的時間，成為該領域的領跑者。

馭風飛翔，韓忠華的目標將不再遙遠，因為有了這么多人與他并肩前行。