工程科学的践行者—— 纪念童秉纲院士<br/>

工程科学的践行者—— 纪念童秉纲院士

2021-04-19余永亮孙德军陆夕云

力学进展 2021年1期

余永亮孙德军陆夕云

1 中国科学院大学工程科学学院,北京100049

2 中国科学技术大学近代力学系,合肥230026

1 引言

童秉纲 1927 年 9 月 28 日生于江苏省张家港市,2020 年 7 月 9 日于北京逝世,享年 93 岁.他是流体力学家、教育家,中国科学院院士,中国科学院大学教授,中国科学技术大学教授.1950 年从南京大学机械工程系本科毕业; 1950—1953 年在哈尔滨工业大学师资研究生班学习,师从苏联力学专家克雷洛夫(图1),毕业前即从事理论力学的教学工作,并担任理论力学教研室代主任; 毕业后留校任教,先后担任理论力学教研室主任、讲师.1961 年调入中国科学技术大学(简称中科大),先后担任高速空气动力学/流体力学专业教研室副主任、主任,1978 起先后任近代力学系副主任、主任; 1978 年任副教授,1981 年晋升为教授并被国务院学位委员会批准为国家首批博士生导师.1986 年调入中国科学院研究生院(2012 年更名为中国科学院大学,简称国科大) 任教,并仍受聘为中科大近代力学系教授.1997 年当选为中国科学院院士,2002 年获得何梁何利基金科学与技术进步奖.

童秉纲院士是工程科学的践行者.钱学森在 20 世纪 40 年代提出了工程科学 (engineering science,或称为“技术科学”) 的概念,要求以自然科学的理论为依据,创建工程技术所需的工程理论.童秉纲先生结合自己多年教学和科学研究的实践,对工程科学的理论提出了自己深刻的见解.他指出,工程科学与自然科学一样,要从工程实践中抽象出科学问题,建立力学模型,以数学手段求解,得到的结果须经过检验,最后形成应用理论(童秉纲和余永亮2018).近四十多年来,童秉纲先生主要从事非定常流与涡运动、生物运动力学、气动热力学的研究,他与合作者一起,推动了流体力学这些重要分支学科的发展,极大地丰富和发展了钱学森的工程科学思想.

2 非定常流与涡运动

非定常流与旋涡是自然界普遍存在的流体运动形式.非定常流研究的是流动特性随时间变化的物理过程,经典的非定常流理论以位势流为基础,至今在工程设计中仍有着应用价值.但是,非定常流常常伴有大尺度流动分离,黏性效应不可忽略,已不能简单地作为势流处理.在非定常黏性流中,旋涡的生成、发展和演化过程支配着流动的主要特性以及流体和物体的相互作用.对非定常流和涡运动的研究,不仅要认识流动的演化规律和机理,而且要实现对流动的有效控制,达到工程上兴利减弊的目的.

1970 年代初,童秉纲先生和合作者在国内率先开展了基于非定常空气动力学理论的飞行器动导数研究.区别于传统的基于线性理论和准定常假定的动导数计算方法,他们从非定常气动理论出发,开拓和发展了从低速、跨声速、超声速、近高超声速直到高超声速的整套动导数计算方法,广泛应用于工程设计中.特别是,他们针对跨声速流和高超声速流动固有的非线性困难,建立了相应的非定常流理论模型,采用半解析半数值的求解途径,发展了若干新方法.例如,适用于机翼和旋成体的非定常跨声速局部线化面元法及其配套的多种核函数近似算式,以及适用于高超声速钝头体的非定常内伏牛顿–布兹曼流动理论.相关工作获得了国防科学技术工业委员会和中国科学院的4 个科研成果奖,部分工作被美国AD 报告译载(AD-A168449,1986),并被国外学者在综述论文中大篇幅介绍(East & Hutt 1988).

1980 年代,童秉纲先生等开展了非定常极端曲地面效应研究,这是被加州理工学院吴耀祖教授评价为“卓越超群” 的一项工作.地面效应指飞行器靠近地面飞行时所引起的升力变化效应,在此之前该领域的主要研究成果都是针对定常流动问题.极端曲地面效应即指飞行器靠地面更近,且地面为波形面,这样就不得不考虑流动的非定常、非线性.他们建立了三维非定常、非线性极端曲地面效应的理论,用摄动方法建立了三维薄翼在极端曲地面效应下的三阶非线性模型,发现了曲地面与对应的平地面效应之间的等效定理.进而,在导得非定常势流的两个新的精确解基础上,得出了小展弦比升力面和细长旋成体在极端曲地面效应下的近似解析解,揭示了曲地面效应的物理规律.相关成果(汪前喜1989)部分发表在《Journal of Fluid Mechanics (JFM)》上,所指导的博士研究生汪前喜也因此获得了中科大郭沫若奖.

1989—1998 年,在庄逢甘院士主持的两期国家自然科学基金委重大项目中,童秉纲先生均负责了相关的旋涡运动研究子课题,其中有两项成果分别被列为两期重大项目的亮点(柯辛1993,国家自然科学基金委1999).第1 项是他指导的博士生陆夕云的博士论文工作中关于圆柱动态绕流现象的研究(陆夕云1992).圆柱动态绕流虽然是个简单的模型,但可以揭示复杂的涡运动形态及其非线性机制,在当时对动态的物体绕流进行有效的非定常数值模拟还不是一件容易的事.陆夕云的工作率先数值模拟了圆柱沿任意方向大幅振动的近尾迹复杂涡结构形态及其演化过程,给出了频率和振幅相平面内的涡结构分区图,揭示了涡脱落中相位转换、模态竞争等非线性特征.第2 项是他指导的博士生孙德军的博士论文工作(孙德军1995),主要采用了两种不同途径对圆柱尾迹的稳定性进行了研究,分别是局部“绝对/对流不稳定性”分析和非平行流的“整体不稳定性”分析,揭示了整体模态跳跃和涡街形成的机理.特别是在圆柱振动情况下,首次对周期性尾迹开展了Floquet 稳定性分析,揭示了涡街被激发或抑制的参数规律及不稳定性机理.孙德军还因此获得了中国科学院院长奖.

童秉纲先生所领导的研究团队还在涡方法上开展了若干开拓性的工作.他们成功处理了物面上具有凸拐角点或局部质量引射的复杂构形绕流问题; 发展了计算复杂构形的快速涡方法,有效提高了流场分辨率; 提出了一种新的自适应涡团模型和相应的确定性计算格式; 还提出了一种涡方法与有限差分法结合的分区混合计算方法.进而,应用这些方法成功地模拟了钝体绕流、剪切层和尾迹的演化、旋涡之间的相互作用、旋涡碰到物体的反弹等问题,揭示了蕴含其中的多种流动机理.

为了促进国内非定常流和涡控制的研究,童秉纲和崔尔杰等在1990 年举办了“非定常流与涡控制” 讲习班,并出版了专著《非定常流与涡运动》.作为“分离流与涡运动” 会议的组委会成员,他积极推动了该会议的持续召开.在21 世纪初,童秉纲先生还极力支持吴镇远先生倡导的涡动力学休研会,并主持制定了这个会议的基本原则,即小型、高端、基于邀请、充分讨论,这些原则一直坚持至今.

3 飞行和游动的生物运动力学

生物运动力学是研究运动生物在神经信号控制下,驱动其肌肉产生收缩动作,使生物体或执行器官发生形变并与周围流体相互作用,从而实现自主游动和自主飞行的一门交叉学科.研究内容包括了神经控制、肌肉力学、生物材料性能、生物的形态及其运动模式(运动学)、其推进和控制机制(生物外部流体力学)、能量转换及其效率(力能学)等.研究生物运动力学这个交叉学科具有两个方面的需求.其一,工程技术专家要利用生物运动力学理论研制仿生水下航行器和微型飞行器;其二,动物学家要研究游动和飞行的力学效应对动物的生理学、生态学、动物行为及进化的相互影响.因此,飞行和游动的生物运动力学是一个以流体力学为先导的交叉前沿领域.

1985 年,童秉纲先生与庄礼贤教授共同指导博士生程健宇开始从事鱼游方面的工作.基于流体力学的理论,建立了三维波动板模型: 对任意平面形状、波幅沿体长任意变化的三维波动板产生的大雷诺数流动进行简化,在时域内数值求解基于势流的非定常涡环面元法,当鱼类巡游时,可简化为在频域内求解.通过对鳗鲡模式和鲹科模式推进的分析,发现波动推进方式减弱了三维流动效应,特别是“体长接近一个波长的鳗鲡模式,三维效应几乎消失”.根据该理论的分析结果,界定了经典的细长体理论和二维波动板理论的适用范围.同时,该理论还被用于分析最佳游动方式以及亚鲹科模式、鲹科模式和月牙尾推进3 种类型的尾鳍形状优选,从流体力学观点探讨了水生动物进化的形态适应问题(Cheng et al.1991,Tong et al.1993).时任JFM 副主编的Pedley 教授在给程健宇的信(1996) 中评述,“三维波动板理论是继六十年代Lighthill 开创性的细长体理论之后,第一个可用于求解鱼类推进的三维流体力学新方法”.多年来,童秉纲先生所建立的三维波动板理论也被国内外同行公认为生物运动力学领域的重要理论之一.

20 世纪末和21 世纪初,仿生学研究在国际上逐渐受到重视,从动物运动中吸取灵感推动了生物运动力学领域的发展.童秉纲先生组建了中国科学院研究生院与中国科学技术大学的仿生力学研究联合团队,主要研究昆虫飞行和鱼类游动的流动物理,发展了活体运动观测、模型实验、数值模拟和理论模化等多种研究手段.同时,还营造国内外合作交流的环境(图2),与境外专家建立协作关系或邀请他们来访交流(如千叶大学的刘浩、加州理工学院的吴耀祖、佐治亚理工学院的吴镇远和台湾大学应用力学所的张建成等),并密切与国内同行联系和合作(如清华大学曾理江、北京航空航天大学王田苗、哈尔滨工程大学吴德铭等).基于团队的努力,为我国游动和飞行生物运动力学的研究打开了新的局面.

图2

在中国科学技术大学,陆夕云、杨基明、尹协振和续伯钦等几位教授,搭建了颇具特色的仿生力学实验平台,建设了一批研究设备,如低速风洞、拖曳式水槽、回流式水洞和静水池以及多种先进测量仪器,自行研发了一系列模拟机构,包括拍翼运动机构及控制系统研究平台、模拟鳗鲡游动模式的波状壁机构、模拟鲹科游动模式的单波长变振幅模拟器、模拟二维流动的肥皂膜装置等等.在中国科学院大学,校学术委员会于2003 年批准成立了由童秉纲先生和马晖扬教授组建的中国科学院研究生院生物运动力学实验室,主要从事理论建模和数值分析方面的工作.

鉴于取得的研究成果和形成的学术影响力,以该团队为主体申请举办了主题为“飞行和游动的生物力学与仿生技术” 香山科学会议,并于2003 年10 月在庆祝香山科学会议十周年之际成功召开.童秉纲先生和崔尔杰先生共同担任会议的执行主席.这次香山科学会议分析了国内外生物运动力学及相关仿生技术研究现状,探讨了这个学科的一些重大科学问题和战略需求.同年12 月,在时任中国科学院院长路甬祥院士的提议下,又召开了以“仿生学的科学意义与前沿” 为主题的第220 次香山科学会议,童秉纲先生担任了会议联合执行主席.

经过十几年的发展,童秉纲先生指导其研究生在鱼类机动游动和昆虫拍翼机理的研究等方面取得了重要的进展.

在鱼类游动的力学研究中,童秉纲先生带领团队实现了“鱼– 水” 系统具有动量和动量矩守恒的自主推进研究.他们提出了变形体动力学方程,把鱼体的运动分解成整体平动、转动以及变形运动,并将它与流体力学方程耦合计算,建立起“鱼– 水” 系统满足系统动量和动量矩守恒的生物体自主推进模型,实现了鱼体自主推进的数值计算平台 (Yang et al.2008).吴耀祖在2011 年的综述文章中提出这种自主推进模型也可以拓展到飞行动物的自主飞行研究中(Wu 2011).在该平台上,首次获得鲹科鱼类定速前游的尾迹涡结构,成功地分析了强机动转弯流动物理(Liu et al.2011),并发现快速转弯中曲率行波的重要作用.通过对力能学的研究发现,满足自主推进的巡游状态下,生物标准代谢能耗是决定鱼体长距离游泳性能的关键因素(Liu et al.2012); 建立了具有伽利略不变性的变形体力能学方程,揭示了“鱼– 水” 系统中鱼体自主游动机械功率的生成和传递过程,为研究肌肉输出功率提供了有效途径(Wang et al.2018).同时,童秉纲先生还进一步提出了运动链一体化概念,开始探索从神经信号支配下的肌肉动作到最终的生物体与周围流体介质相互作用的全过程,用以分析生物推进及能耗控制的机理,对活体生物材料的性质和肌肉性能进行了评估,结果符合生物学实验测量的预期(Zhang et al.2014).

在昆虫拍翼飞行方面,中小型昆虫高频拍翼产生飞行动力的机制是当时难以理解的问题.当飞行器小到厘米甚至毫米量级时,采用大型飞行器的固定翼或者旋翼的飞行方式难以产生足够的飞行升力,其原因在于飞行雷诺数小到百的量级时,固定翼或者旋翼难以克服黏性带来的气动局限性,而自然界中的昆虫通过高频的拍翼获得了飞行所需的高气动力.为了研究高气动力的成因,他们对高频拍翼引起的流动非定常性和黏性效应进行了量级分析,提出了强非定常流动可以抑制黏性效应的判据,并建立了简化的空气动力学模型: 把黏性效应归结为昆虫翼前、后缘脱泻的涡,而大部分空间的流动仍可简化为无黏流(Yu et al.2003).简化后的流动可以用半数值半解析的方法进行求解,并首次阐明中小型昆虫高频扑翼飞行的高升力来源,即附加惯性效应、前缘涡控制和后缘涡控制(余永亮等2005).吴耀祖在综述鱼游和昆虫飞行方面的进展时,把该理论建模工作列为昆虫大攻角拍动飞行领域的代表性工作(Wu 2011).

4 航天器气动热力学

20 世纪80 年代,美国已经出现了航天飞机,其构形和流场复杂,不仅存在边界层传热,还存在激波干扰导致的分离– 再附流动及局部高热流环境.因此,在航天工程中,热防护是一个关键问题,而预测飞行器表面热环境是防热设计的前提条件.然而,准确地确定飞行器表面的气动加热率要比确定其空气动力更为困难.

1988 年,童秉纲先生与马晖扬教授在中国科学院研究生院创建了空气动力学实验室,并与中国航天空气动力研究院的姜贵庆研究员开始合作指导博士生,使得科学研究与工程应用紧密结合.他们开始在学术上探索一条新路,发展了有效的有限元算法来解决复杂构型高超声速气动热环境预测问题,共同推进了计算气动热力学的发展.

童秉纲等在结构网格框架内发展了一套对激波具有高分辨率的有限元– 有限差分混合算法,更加适用于计算高超声速复杂构形的黏性流场 (曹树声 1991,王岩 1996).他们还根据壁面流动的能量和动量守恒律,导出了计算壁面热流和摩阻的积分型公式(段占元1998).与传统的温度梯度差分算法相比,这种积分型算法大大减弱了因数值离散方式与网格雷诺数存在强相关引起热流计算的不确定性,能够可靠地预测复杂流动中的峰值热流.相关成果被航天五院成功地应用于神舟1 号飞船局部构件的复杂热环境预测.他们进一步完善了该有限元算法,应用到“翼– 身– 舵”三维组合体构型的高超声速热环境计算,并在国内首次开展了非烧蚀热防护技术的研究(艾邦成2006).以该研究为基础,国内逐渐发展出疏导式热防护设计概念.

进入21 世纪以来,近空间高超声速巡航飞行器受到了极大的关注.童秉纲先生带领学生在近空间新型飞行器气动热环境精确预测方面开展了工程理论的研究.由于近空间高速飞行器为了提高升阻比,多采用尖头薄翼的乘波体/升力体外形,其前缘尺寸可小至毫米量级,又由于近空间空气密度较小,致使在前缘局部区域出现近连续或稀薄过渡流动.同时,由于飞行速度高,飞行器头部形成强激波,波后高温空气中的氧气和氮气分子将发生振动能激发、离解– 复合等一系列物理化学过程,统称为高温真实气体效应,且该过程一般是非平衡的.对于高速、高温、局部稀薄和热– 化学非平衡的流动传热问题,传统的理论方法已失效.童秉纲及其研究团队建立了沿驻点线的准一维流动模型,给出了考虑稀薄气体效应和非平衡真实气体效应的尖化前缘气动加热的工程理论.首先,建立了非傅里叶传热模型,用以研究分子碰撞非平衡引起的稀薄气体效应,提出了适用于高超声速稀薄流动问题的判据(Wang et al.2010).其次,基于理想离解气体模型和激波映射方法,建立了计及非平衡真实气体效应的气动加热模型,提出了具有定量物理意义的非平衡流动判据(Wang et al.2013).综合以上两个模型,给出了稀薄气体效应和真实气体效应耦合作用下的气动加热预测方法,丰富了人们对真实气体流动相似律和天地换算准则的认识.这些研究工作受到了人们的关注,相关博士论文应邀在“Springer Theses” 系列中出版.他们还与航天工程单位开展工程应用型的合作研究,使相关的研究结果在工程快速估算中得到直接应用.

童秉纲先生在上述流体力学3 个分支学科上具体实践了工程科学思想.他与合作者们从航空、航天飞行器以及仿生航行器等工程需求出发,凝练科学问题,在非定常流动的动导数、曲地面效应、钝体绕流旋涡结构、波动推进、高频拍翼、非烧蚀传热、稀薄和非平衡气动加热等方面,抽象出简化的力学模型,结合理论模化和数值手段,形成具有通用性的理论方法,深化了对流动机理的认识,搭建了相关领域科学与技术的桥梁.

作为我国著名的力学教育家,童秉纲先生从教六十余载,为我国的力学教育事业作出了杰出的贡献.20 世纪50 年代,他在哈尔滨工业大学主持创建了国内第一个理论力学教研室,该教研室是当时国内闻名的先进教学集体之一.他于1961 年到中科大近代力学系任教,协助钱学森、林同骥、卞荫贵等先生建设了中科大流体力学的专业教学体系.他勇挑重担,为振兴中科大力学系做出了不懈的努力.现在中科大力学学科是全国重点一级学科,其教学和研究水平居于国内前列,受到国内同行的尊重,其中凝聚了童秉纲先生多年的心血和辛劳(图3).

童秉纲先生对力学教学及方法论均有深刻的理解,撰写过多部教材,均广受好评.他早年在哈尔滨工业大学主持编写的《理论力学》(第1 版) (1961),被评定为“全国试用教科书”,是国内最有影响力的工科理论力学教材.他和孔祥言、邓国华编著的《气体动力学》教材成为国内多所重点高校和著名研究机构受欢迎的教材和参考书,台湾成功大学航空太空学院也用该书授课.该书还获1995 年国家教委优秀教材一等奖,1998 年获得教育部科技进步奖二等奖.童秉纲还和尹协远、朱克勤合作撰写了《涡运动理论》的简明教程,旨在构筑从流体力学基本理论通向涡运动研究前沿的一座桥梁,出版至今已20 年,在读者中仍享有盛誉.

童秉纲先生45 岁才从事科研工作,然成绩卓著.他曾总结过自身的经历,概括为“逆境很长、服务很多、很晚创业、小有成就”.做人“讲诚信、讲和谐”,做事“精心筹划,真诚合作; 锲而不舍,讲求成效”,做学问信奉“取法乎上,得乎其中; 取法乎中,得乎其下”,坚持高标准要求.先生以教书育人为己任,言传身教,把不畏曲折、真诚坦荡、治学严谨的工作作风贯穿于教育始终,堪为师者典范和学者楷模.

在此,谨代表恩师的弟子们撰写此文,深切缅怀童秉纲先生!