《工业心脏》第一百四十八章 感受工程艺术之美?

    李文山在10月初的时候就离开长安，一是去找原材料供应商，二是去找合格的协作厂家。主要就是可以电风扇的塑料外壳的厂家，如果真没办法，那就只能自己干了。
    虽然现在电风扇的生产反而没有那么紧急了，就算找不到塑料厂肯做的，因为在西班牙的航模大单，只要几个月后，戈力的经济情况好转了，完全可以自己做
    转眼过了一个星期，10月18日，周二。学校门口的横幅早已换成了‘热烈欢迎吴中桦院士莅临我校指导’。
    在校长等一大群人的拥簇下，吴中桦院士来到了西工大。按照行程，明天他将会开一个名为‘感受工程艺术之美’的科普性讲座。然后接下来几天和航空院进行学术交流。
    工程艺术之美当然是三元流动理论在航空燃气轮机上的应用，吴院士这次的讲座主要目的就是介绍三元流动理论的背景和发展。
    吴院士先生介绍了相关背景。
    原来在二次大战后，各国经济迅速回升，对新兴的航空工业提出了旺盛需求。为了飞得更高、更快，必须大力提高发动机的性能和可靠性。那时，航空燃气轮机在各种动力装置中脱颖而出，很快在航空推进装置中占据统治地位。
    接着吴院士介绍了三元流理论发展的必要性。
    作为航空发动机核心的风扇、压气机、涡轮等叶轮机械流动的研究，直到上世纪四十年代末期，一直沿用通常空气动力学中飞机机翼时的孤立叶片模型。这种方法，只能计算叶片平均半径处进出口流动参数的变化，不能计算叶片的扭转、弯曲，因为它没有考虑叶片之间的相互作用，对于叶片数量很多的叶轮机械就不适用了。
    因此，为了大幅度提高航空发动机和叶轮机械性能，必须针对非常复杂的叶轮机械流动方程组，根据内部流动的特点，创建新的理论模型，推导相应的数学方程，提出简化的物理假定，最后给出可以数值求解的基本方程和求解方法。
    在传统的空气动力学模型不适应多叶叶轮机械的时候，吴院士在60年代开创了三元流动理论。
    吴院士把一个在当时计算条件下无法求解的叶轮机械内十分复杂的三维流动分解为S1和S2两族流面上的二维流动，使其数值求解在当时的计算机条件下成为可能。无疑，这是对叶轮机械内部流动研究的巨大贡献：基于两类流面这一理论模型和计算方法，国际学术界对叶轮机械流动进行了深入、系统的研究，发现了许多新的流动现象和规律，大大提高了叶轮机械的性能；基于这一理论和方法，成功地研制出了一代比一代性能优越的航空发动机和燃气轮机，极大地促进了世界航空事业和能源动力工业的发展。
    吴院士接着分析的三元流动理论，他通过计算公式为大家展示了——引入的流面偏导数是一座桥梁，它把叶片空间内三维流动的物理量与流面上二维流动的物理量联系在一起，可以把三维的运动方程转换为流面上的二维流动方程；而在导出的流面上流动基本方程中出现了流片厚度和流面之间的作用力，它们是流动三维性的表征，也是流面上流动方程与通常的二维流动方程的不同之处，可以认为它们是流面理论模型的两大支柱。还应当注意到，在这一理论中，引入了一个沿流线的不变量——相对滞止转子焓，它使方程更为简洁，计算更为简便。这一座桥梁、两个支柱和一个不变量，可以认为是两类流面理论的精华。这个理论的建立，可以清楚地看出内部流动研究的特点，对于进一步研究其他内部流动现象也是很好的借鉴。
    通过吴院士的介绍，听讲座的人可以清晰的感受到三元流动这个理论把丰富的想象力、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。毫不夸张地说，这个基于两类流面的叶轮机械三元流动理论是一个全面展示工程科学之美的优秀范例。
    最后吴院士开始展望未来，说起了他倡导的工程热物理学科。
    吴院士介绍随着世界上第一颗人造卫星和第一个宇航员进入太空，人类第一次离开了地球，开启了一个新的时代。继飞上天空之后，人类又面临飞离地球、进入太空这样一个需求，他和中国老一代科学家敏感地认识到推进装置的极端重要性和前所未有的科技难度，面对高温、高压、高速、高转速和化学反应交织在一起的复杂现象，为了研制出性能可靠、经济适用的推进系统，必须对其内部的工作过程有深入细致的了解，必须对能量以热的形式转化、输运和利用的规律进行系统、专门地研究，必须把各类热现象、热过程涉及的分散的工程热力学、内部流动气动热力学、传热传质学和燃烧学几门学科紧密结合在一起来考虑。这意味着必须把它们联系在一起，形成一门新的综合性应用学科，进行深入系统的研究，这也就是工程热物理学科诞生的原因。
    最后吴院士没有过多展开这个话题，而是总结，作为一门工程科学，工程热物理学这十几年有了长足的进展，其应用范围也大为扩展。现在，它在航空航天推进、能源高效清洁利用、新能源开发、环境保护等领域发挥着越来越重要的作用。创建工程热物理学的影响已经充分显现，而且必将为科学和技术的发展做出日益显著的贡献。可以预期，随着临近空间高超声速飞行的实现和高效、清洁能源技术以及大规模可再生能源的利用，工程热物理学将迎来更为辉煌的时代。
    讲座结束后，提问开始，陈东风对工程热物理比较感兴趣，他递了一张小纸条——请吴院士介绍小工程热物理学科以及该怎么学习。
    吴院士读了这个问题后，回答：“很高兴有同学对工程热物理感兴趣，下面我稍微介绍下。”
    吴院士介绍，作为研究能量以热的形式转化的规律及其应用的一门技术科学，工程热物理学科有着坚实的学科基础。对于一个推进装置，首先要从系统上进行研究，从工程热力学的角度来探讨其合理性和优越性，即用热力学第一定律和第二定律来分析、研究，从总体上加以把握。在推进装置和能源动力中，往往涉及各种流动问题，应当从牛顿三大力学定律出发加以研究，特别是要求解适用于旋转机械的Navier-Stokes方程和相应的边界条件，并在专门设计的、测试精准的试验平台上进行细致的实验。除了流动以外，还常常伴随着多种多样的传热传质现象，此时需要用Fourier定律等来分析。对于伴有燃烧过程发生的现象，更需要用化学反应动力学的定律和方程来加以研究。
    可见，工程热物理学的几个分支学科在其各自理论和定律作为基础的同时，还存在着内在的深刻的联系，这使得工程热物理学成为一门内部结构完整、逻辑性很强的学科。