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(xiàn)：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(jī)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?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)與研制做出了重大貢獻(xiàn)。

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(jī)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(jī)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(tuán)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(jī)械內(nèi)部黏性流動計(jì)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(xiàn)。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(bào)》《航空學(xué)報(bào)》《工程熱物理學(xué)報(bào)》《航空動力學(xué)報(bào)》等著名雜志的編委，擔(dān)任過許多國際學(xué)術(shù)機(jī)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(xiàn)，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(xiàn)

在葉輪機(jī)械學(xué)術(shù)領(lǐng)域中，吳仲華先生是全世界公認(rèn)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(jī)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(jìn)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(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)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(xiàn)[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(dá)445頁的英文版專著凝聚著他半個世紀(jì)以來從事葉輪機(jī)械氣動熱力學(xué)研究的心血與經(jīng)驗(yàn)。該書由英國劍橋大學(xué)Whittle實(shí)驗(yàn)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(jià)[39]。

為了進(jìn)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(xiàn)，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(jì)算方法與程序，對彎扭葉片流場細(xì)微復(fù)雜渦系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)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(bào)告的形式發(fā)表，相關(guān)內(nèi)容可參閱文獻(xiàn)[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(jī)械三維黏流基本方程組的張量表達(dá)

陳乃興先生利用矢量與張量運(yùn)算，建立了適用于非正交曲線坐標(biāo)表達(dá)的葉輪機(jī)械三維流動求解的基本方程組，給出了方程組中黏性項(xiàng)、傳熱項(xiàng)、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(dá)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(jì)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(xì)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(xì)分析并揭示了葉片軸向彎曲的機(jī)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(jī)械氣動反問題的理論與求解方法

在葉輪機(jī)械中，反問題即設(shè)計(jì)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(jī)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(xiàn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jì)技術(shù)應(yīng)用到工程實(shí)踐(見本文第4節(jié))，因此于2002年以“葉輪機(jī)械氣動正、反問題的求解與設(shè)計(jì)優(yōu)化的研究”項(xiàng)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(dú)立自主地發(fā)展了葉輪機(jī)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(shí)力很強(qiáng)的葉輪機(jī)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(tuán)隊(duì)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(jī)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(tuán)隊(duì)首次將時間推進(jìn)的有限體積法應(yīng)用于葉輪機(jī)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(jì)方法與軟件得到了國內(nèi)外試驗(yàn)的驗(yàn)證和同行的公認(rèn)。另外，在國外講學(xué)時，陳乃興先生的數(shù)值計(jì)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(rèn)可與高度評價(jià)，他們認(rèn)為陳乃興先生的數(shù)值結(jié)果與他們的試驗(yàn)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(jī)性能盲題測算”的情況。1994年ASME國際燃?xì)廨啓C(jī)委員會組織了NASA Rotor 37單轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)三維黏流的盲題測算，陳乃興先生主動寫信報(bào)名參加。雖然這項(xiàng)工作難度很高、壓力大，但是陳乃興先生很有信心，他堅(jiān)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(bào)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(bào)告的研究單位)。Denton教授在1994年ASME專題報(bào)告會和1996年ISAIF大會上介紹參算結(jié)果時，高度評價(jià)了陳乃興和黃偉光的測算結(jié)果，認(rèn)為陳乃興和黃偉光用微機(jī)(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(jì)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(yù)。此外，陳乃興和黃偉光所提交的數(shù)值模擬程序也被認(rèn)為是世界十大優(yōu)秀程序之一。

圖2 數(shù)值計(jì)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(jì)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(jī)顧問組成員，多年來他為中國航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策，貢獻(xiàn)力量。

1995—1996年間，沈陽發(fā)動機(jī)研究所承擔(dān)國家“863”計(jì)劃“發(fā)動機(jī)跨音風(fēng)扇設(shè)計(jì)”研究項(xiàng)目。在項(xiàng)目執(zhí)行期間，該所將陳乃興先生所發(fā)展的三維黏流計(jì)算程序作為完成該項(xiàng)目的核心程序，對該風(fēng)扇進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使得風(fēng)扇性能達(dá)到了國際先進(jìn)水平。美國壓氣機(jī)方面的權(quán)威專家Wennerstrom在向有關(guān)方面咨詢沈陽發(fā)動機(jī)研究所的設(shè)計(jì)方案與試驗(yàn)測試結(jié)果時，高度評價(jià)了上述跨音風(fēng)扇的氣動設(shè)計(jì)工作。此外，該所采用陳乃興先生的程序完成渦輪性能的計(jì)算，也得到了很好的結(jié)果。為此，沈陽發(fā)動機(jī)研究所在2000年5月25日專門出具書面證明，認(rèn)為陳乃興先生的這套程序優(yōu)于當(dāng)時該所引進(jìn)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(jī)設(shè)計(jì)工作，利用所發(fā)展的全三維黏流計(jì)算程序完成了高中壓典型彎扭葉片的全三維流場計(jì)算，數(shù)值結(jié)果表明：采用彎扭葉片可提高汽輪機(jī)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(jī)的改造，取得了十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益。此外，陳乃興先生還與上海汽輪機(jī)有限公司合作完成了“汽輪機(jī)葉片全三元?dú)鈩釉O(shè)計(jì)體系開發(fā)”項(xiàng)目，并榮獲上海市技術(shù)振興一等獎。上述2個項(xiàng)目的研究成果已成功用于54臺汽輪機(jī)機(jī)組的改造，機(jī)組運(yùn)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(fù)責(zé)并參與了實(shí)驗(yàn)基地建設(shè)，組織和參加了中國第1臺艦用汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)和第1臺艦用燃?xì)廨啓C(jī)的試驗(yàn)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(fù)責(zé)人參加了某型驅(qū)逐艦高海情適航性試驗(yàn)工作。此外，在多年的工作實(shí)踐基礎(chǔ)上，陳乃興與李根深、強(qiáng)國芳共同撰寫出版了《船用燃?xì)廨啓C(jī)軸流式葉輪機(jī)械氣動熱力學(xué)(原理、設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究)》一書，該書得到了吳仲華教授的高度評價(jià)。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(xiàn)的先進(jìn)工作者”的榮譽(yù)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(jìn)行了彎扭造型的優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)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(jī)三維黏流計(jì)算研究”和“葉輪機(jī)械反問題設(shè)計(jì)”，也得到了對方的高度評價(jià)。

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(jì)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(jìn)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(jī)的設(shè)計(jì)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(jì)優(yōu)化(Uncertainty-based Multidisciplinary Design Optimization, UMDO)引入航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)的問題。陳乃興先生強(qiáng)調(diào)說：“航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程[41-42]，在航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)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(jī)設(shè)計(jì)方法與目前國家出版的航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)手冊，基本上都是在多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化(Multidisciplinary Design Optimization，MDO)的框架下進(jìn)行的。”陳乃興先生說：“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(jī)多目標(biāo)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法》的專著終于在2019年3月由機(jī)械工業(yè)出版社出版發(fā)行。這部679頁的航空發(fā)動機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)的設(shè)計(jì)體系。從這個意義上講，這部專著填補(bǔ)了中國在這個領(lǐng)域的學(xué)術(shù)空白。同時，該書也是獻(xiàn)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(jǐn)求實(shí)、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(xiàn)了自己畢生的精力。他的研究成果理論與實(shí)踐并重，不僅進(jìn)一步促進(jìn)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(jìn)一步提升，并得到了國內(nèi)外著名學(xué)者和知名研究機(jī)構(gòu)的一致認(rèn)可和高度評價(jià)。陳乃興先生為人善良、淳樸謙虛并提攜晚輩，是大家永遠(yuǎn)尊重與愛戴的學(xué)術(shù)大師和領(lǐng)路人！