吳承康先生紀念專刊序

李家春

(中國科學院力學研究所,北京 100190)

2023 年12 月25 日是《力學學報》原主編吳承康先生逝世一周年紀念日.吳承康先生(圖1)是中國科學院院士,我國燃燒學、高溫氣體動力學、等離子體動力學專家.他在燃燒理論、高速飛行器防熱和再入通訊、等離子體技術等方面取得了一系列開拓性成果,為我國航天事業和能源工程做出了重要貢獻.

吳承康先生1929 年11 月出生于上海.1947 年考入上海交通大學,1949 年赴美威斯康辛大學和麻省理工學院學習,并于1957 年獲科學博士學位.胸懷報效祖國的崇高信念,吳先生毅然放棄美國的優渥生活,學成后便于1957 年9 月回國.先后在中國科學院動力研究室、力學研究所,第七機械工業部207 和701 所工作.1978 年回中國科學院力學研究所后歷任研究員、室主任和副所長等職.

吳承康院士早在20 世紀50 年代就開始從事燃燒研究.在幾十年的科研生涯中,對氣動熱化學有許多創新的研究成果.他通過測量汽油機瞬時溫度,解決了爆震機理的爭議,特別是提出了Livengood-Wu“爆震累積臨界值”的概念,給出了爆震發生的定量準則.他用激光測速法確定了“真正的一維火焰傳播速度”,澄清了一段時間以來由于火焰拉伸導致測量數據分散的原因.他發展了非對稱射流技術,通過在預燃室中形成湍流混合的大環流區,實現煤粉和水煤漿的點火和穩燃,并被成功和廣泛地應用于我國電站鍋爐運行中.他開展了端頭與局部燒蝕試驗的研究,提出結構防熱設計原則,并被型號部門采用等等.這些基礎和應用研究成果為我國的“兩彈一星”事業和能源工程做出了重要的貢獻.

吳先生積極推動等離子體學科的研究和應用,曾連續四屆擔任中國力學學會的等離子體科學與技術專業委員會主任 20 年,并多次組織國際和亞太地區等離子體科學的學術交流活動.在他的努力下,第十三屆等離子體化學國際學術會議(ISPC13)于1997 年8 月在北京成功召開,得到美國 Minnisoda 大學 E.Pfender 教授等國際等離子體界專家學者的高度贊譽,促進了我國等離子體學科和工業應用的穩步發展.

為繼承吳承康先生的學術思想,弘揚他的科學精神,追憶他的科學貢獻,《力學學報》組織出版《吳承康先生紀念專刊》.該特刊包括學科綜述、學術論文和研究方法等不同體裁,涵蓋了燃燒科學和能源工程、高溫氣體動力學和推進技術、等離子體動力學和工業應用等不同領域,共計22 篇文章.希望以此推動相關領域的學術交流和研究進展.

在燃燒科學和能源工程方面,上海交通大學齊飛等研究射流擴散火焰不穩定性對頻率特性的影響.他們用PIV 解析流場結構的動態演變,驗證火焰閃爍的外渦環主導機制,發現浮力主控火焰varicose 模態的頻率相較于sinuous 模態有明顯提升,而動量主控火焰的頻率顯著偏離了經典的1/2 標度律.清華大學張海等綜述富氫燃料射流火焰回火的研究現狀,分析燃料氫含量、燃燒室條件、噴嘴結構等關鍵參數對回火特性的影響,提出克服或減緩回火現象的燃燒器設計方法,并建議未來應加強具有高效防回火功能的燃燒技術研究,以提高燃氣輪機使用低碳燃料的安全性和可靠性.西安交通大學王金華等通過對燃燒場的測量,包括火焰結構、可燃極限、火焰穩定性及污染物排放特性,揭示等離子體能夠通過連續點火、產生活性組分提高火焰穩定性并拓展吹熄極限的影響規律,可對臨近吹熄時燃燒時燃燒進行有效調控,同時亦有NOx排放增加的不利影響.華中科技大學姚洪等探索燃料分級燃燒方法在氨燃料燃燒中降低氮氧化物(NOx)排放的潛力,并結合化學反應器網絡模擬,明確了NOx的生成特性和反應路徑,為低氮氨燃燒器設計及參數優化提供指導.西安交通大學胡二江等闡述零碳燃料氨的分解反應機理,綜述鐵系金屬催化氨裂解制氫的最新研究進展,重點介紹等離子體技術的原理、種類、作用機制以及在輔助催化氨裂解制氫方面的協同效應和顯著優勢,為未來高效低成本靈活氨分解氫的技術發展和工業應用提供了新思路.東南大學肖睿等綜述常見生物質含氧衍生物的制備方法,詳述實現碳鏈增長的六條主要途徑,評價了生物質領域長鏈含氧化合物的最新合成路徑,為生物質長鏈含氧燃料的發展提供了依據.中國科學技術大學夏維東等認為,作為高品位光、熱與化學能的能量載體,熱等離子體可視為相當于“氫能”的二次能源.在綜述等離子體能技術后,分析等離子體能替代燃燒加熱和高效轉化利用CO2對助力中國重工業“碳中和”的重要作用,并提出了綠電-等離子體能驅動的再造傳統工業低碳流程的新路線,支撐可再生能源電力的儲存和消納.中國科學院力學研究所魏小林等對轉爐煤氣余熱回收利用過程中的CO 爆燃現象進行實驗與數值模擬,探究CO 當量比、混合氣初始溫度和含水量等因素對 CO 爆燃特性的影響,并結合生產實際提出煤氣爆炸遏制和預防的方法和技術.

在高溫氣體動力學和推進技術方面,北京航空航天大學王海興等針對高超聲速飛行器面臨復雜的氣動熱環境,分析激波層內氣體輻射特性與飛行狀態的相關性,發展高溫空氣態-態動力學和逐線輻射耦合計算模型,揭示不同飛行條件下飛行器頭部激波層空氣輻射特征及其物理機制.清華大學李和平等基于“能量樹”概念對等離子體中非平衡協同輸運機制進行深入分析,提出通過改變工作氣壓調節等離子體沖擊壁面熱流密度的方法.作為燒蝕材料高焓風洞實驗預先研究,在實驗室開展了高速飛行器再入過程中表面熱環境和典型部件燒蝕的地面模擬,實驗結果與空間飛行試驗吻合良好.中國科學院力學研究所黃河激等利用能量和工質歸一化方法對超低軌空間的飛行動力學環境進行了研究,論證了200 km 以下超低軌飛行器長期在軌飛行的可行性,提出了超低軌空間橢圓軌道飛行方案及其控制方法.中國科學院力學研究所肖雅彬等針對飛行器一體化設計,創新性地提出基于流管劃分的前體/進氣道一體化設計方法,不僅實現了收縮比可控,且理論上滿足流場出口流動參數分布均勻的要求,初步數值仿真結果驗證了該方法的有效性.哈爾濱工業大學于達仁等面向空間運輸任務,通過分析主流大功率電推進技術,結合各類電推進工質優化選擇,論述了采取新型液體或固體工質作為電推進工質的合理性和可行性,以期降低電推進的工質儲存代價和工質成本,為遠距離高載荷比空間運輸提供空間動力新方案.

在等離子體動力學與工業應用方面,中國科學院等離子體物理研究所倪國華等對大尺寸電弧等離子體的產生方式、特性控制及其應用進行系統綜述,指出針對具體應用場景發展新型大尺寸電弧等離子體發生器,研究精確調控電弧等離子體空間位形、動態行為、傳熱和流動仍是未來研發重點.大連理工大學王友年等對面向平板顯示工藝和光伏工藝的大面積矩形感性耦合等離子體腔室進行了三維流體模擬,揭示了氣壓對于等離子體均勻性具有明顯影響,指出了采用陣列線圈可以顯著提高等離子體的均勻性.山東大學張遠濤等以數據驅動方法在大氣壓射頻放電中的應用研究為例,發現深度神經網絡可以近乎實時地給出計算結果,并可極大豐富和強化原有的數值模擬效果,更好地體現射頻等離子體的演化規律.北京印刷學院陳強等從放電機制和放電特性兩方面綜述了螺旋波等離子體放電過程中的低場峰、模式躍遷、無電流雙層現象的研究現狀,闡述影響螺旋波等離子體放電特性的關鍵參數和主要能量沉積機制,指出未來需要借助于包括AI 的數值模擬技術實現對螺旋波等離子體放電特性的精確診斷和能量耦合機制的深入理解.蘇州大學吳雪梅等對高頻高壓交流電源驅動的雙環狀電極等離子體射流進行了納秒級時間分辨診斷，揭示了等離子體射流詳細的演化過程，為等離子體行為規律分析和等離子體設備優化提供了參考.上海交通大學鐘曉霞等介紹了等離子體電化學方法,考察了等離子體電化學法制備金、銀納米顆粒與碳量子點的實驗結果及其應用的進展,討論了當前研究中的問題與挑戰,并嘗試提出解決方案.東華大學張菁等簡述研究團隊在脈沖和連續波低溫等離子體放電特性、等離子體化學反應動力學、等離子體多場耦合作用對納米結構材料的生長和二維塵埃晶體形成的調控行為等方面的研究進展.中國科學院力學研究所盛宏至等綜述了低溫熱等離子體處理固體廢物的基礎研究、技術原理和工程應用進展,分析了當前應用中的問題并提出發展建議.華中科技大學劉大偉等開發了一套基于離子風增強帶電氣溶膠沉積的負直流電暈放電系統,實現了大面積、陣列式的負直流電暈等離子體,產生的離子風可以有效促進云室內氣溶膠的循環、荷電、碰并和在網狀電極上的沉積,水霧沉積量可達到單電極放電的8.3 倍,該系統或許是水霧收集、消除致病生物氣溶膠的潛在有效方法.

正如吳先生所說的: “開展研究工作主要應該根據需求,可以是國家建設的需要,也可以是科學發展中需要回答的重要學術問題.有時開始做的時候不一定對所要解決的問題很明顯,特別是基礎研究,但有意義的成果必然是解決重要問題的”.我們深信,專刊的出版必將會對促進燃燒科學和能源工程、高溫氣體動力學和推進技術、等離子體動力學和工業應用等領域的學科發展及其應用起到積極的作用.

最后向本專刊的組織者黃河激、魏小林和孟顯及本專刊的所有作者表示衷心的感謝！