余永亮 孫德軍 陸夕云

1 中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院,北京100049

2 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系,合肥230026

1 引 言

童秉綱 1927 年 9 月 28 日生于江蘇省張家港市,2020 年 7 月 9 日于北京逝世,享年 93 歲.他是流體力學(xué)家、教育家,中國科學(xué)院院士,中國科學(xué)院大學(xué)教授,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授.1950 年從南京大學(xué)機(jī)械工程系本科畢業(yè); 1950—1953 年在哈爾濱工業(yè)大學(xué)師資研究生班學(xué)習(xí),師從蘇聯(lián)力學(xué)專家克雷洛夫(圖1),畢業(yè)前即從事理論力學(xué)的教學(xué)工作,并擔(dān)任理論力學(xué)教研室代主任; 畢業(yè)后留校任教,先后擔(dān)任理論力學(xué)教研室主任、講師.1961 年調(diào)入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)(簡稱中科大),先后擔(dān)任高速空氣動(dòng)力學(xué)/流體力學(xué)專業(yè)教研室副主任、主任,1978 起先后任近代力學(xué)系副主任、主任; 1978 年任副教授,1981 年晉升為教授并被國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)批準(zhǔn)為國家首批博士生導(dǎo)師.1986 年調(diào)入中國科學(xué)院研究生院(2012 年更名為中國科學(xué)院大學(xué),簡稱國科大) 任教,并仍受聘為中科大近代力學(xué)系教授.1997 年當(dāng)選為中國科學(xué)院院士,2002 年獲得何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng).

童秉綱院士是工程科學(xué)的踐行者.錢學(xué)森在 20 世紀(jì) 40 年代提出了工程科學(xué) (engineering science,或稱為“技術(shù)科學(xué)”) 的概念,要求以自然科學(xué)的理論為依據(jù),創(chuàng)建工程技術(shù)所需的工程理論.童秉綱先生結(jié)合自己多年教學(xué)和科學(xué)研究的實(shí)踐,對(duì)工程科學(xué)的理論提出了自己深刻的見解.他指出,工程科學(xué)與自然科學(xué)一樣,要從工程實(shí)踐中抽象出科學(xué)問題,建立力學(xué)模型,以數(shù)學(xué)手段求解,得到的結(jié)果須經(jīng)過檢驗(yàn),最后形成應(yīng)用理論(童秉綱和余永亮2018).近四十多年來,童秉綱先生主要從事非定常流與渦運(yùn)動(dòng)、生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)、氣動(dòng)熱力學(xué)的研究,他與合作者一起,推動(dòng)了流體力學(xué)這些重要分支學(xué)科的發(fā)展,極大地豐富和發(fā)展了錢學(xué)森的工程科學(xué)思想.

2 非定常流與渦運(yùn)動(dòng)

非定常流與旋渦是自然界普遍存在的流體運(yùn)動(dòng)形式.非定常流研究的是流動(dòng)特性隨時(shí)間變化的物理過程,經(jīng)典的非定常流理論以位勢(shì)流為基礎(chǔ),至今在工程設(shè)計(jì)中仍有著應(yīng)用價(jià)值.但是,非定常流常常伴有大尺度流動(dòng)分離,黏性效應(yīng)不可忽略,已不能簡單地作為勢(shì)流處理.在非定常黏性流中,旋渦的生成、發(fā)展和演化過程支配著流動(dòng)的主要特性以及流體和物體的相互作用.對(duì)非定常流和渦運(yùn)動(dòng)的研究,不僅要認(rèn)識(shí)流動(dòng)的演化規(guī)律和機(jī)理,而且要實(shí)現(xiàn)對(duì)流動(dòng)的有效控制,達(dá)到工程上興利減弊的目的.

1970 年代初,童秉綱先生和合作者在國內(nèi)率先開展了基于非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)理論的飛行器動(dòng)導(dǎo)數(shù)研究.區(qū)別于傳統(tǒng)的基于線性理論和準(zhǔn)定常假定的動(dòng)導(dǎo)數(shù)計(jì)算方法,他們從非定常氣動(dòng)理論出發(fā),開拓和發(fā)展了從低速、跨聲速、超聲速、近高超聲速直到高超聲速的整套動(dòng)導(dǎo)數(shù)計(jì)算方法,廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中.特別是,他們針對(duì)跨聲速流和高超聲速流動(dòng)固有的非線性困難,建立了相應(yīng)的非定常流理論模型,采用半解析半數(shù)值的求解途徑,發(fā)展了若干新方法.例如,適用于機(jī)翼和旋成體的非定?？缏曀倬植烤€化面元法及其配套的多種核函數(shù)近似算式,以及適用于高超聲速鈍頭體的非定常內(nèi)伏牛頓–布茲曼流動(dòng)理論.相關(guān)工作獲得了國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)和中國科學(xué)院的4 個(gè)科研成果獎(jiǎng),部分工作被美國AD 報(bào)告譯載(AD-A168449,1986),并被國外學(xué)者在綜述論文中大篇幅介紹(East & Hutt 1988).

1980 年代,童秉綱先生等開展了非定常極端曲地面效應(yīng)研究,這是被加州理工學(xué)院吳耀祖教授評(píng)價(jià)為“卓越超群” 的一項(xiàng)工作.地面效應(yīng)指飛行器靠近地面飛行時(shí)所引起的升力變化效應(yīng),在此之前該領(lǐng)域的主要研究成果都是針對(duì)定常流動(dòng)問題.極端曲地面效應(yīng)即指飛行器靠地面更近,且地面為波形面,這樣就不得不考慮流動(dòng)的非定常、非線性.他們建立了三維非定常、非線性極端曲地面效應(yīng)的理論,用攝動(dòng)方法建立了三維薄翼在極端曲地面效應(yīng)下的三階非線性模型,發(fā)現(xiàn)了曲地面與對(duì)應(yīng)的平地面效應(yīng)之間的等效定理.進(jìn)而,在導(dǎo)得非定常勢(shì)流的兩個(gè)新的精確解基礎(chǔ)上,得出了小展弦比升力面和細(xì)長旋成體在極端曲地面效應(yīng)下的近似解析解,揭示了曲地面效應(yīng)的物理規(guī)律.相關(guān)成果(汪前喜1989)部分發(fā)表在《Journal of Fluid Mechanics (JFM)》上,所指導(dǎo)的博士研究生汪前喜也因此獲得了中科大郭沫若獎(jiǎng).

1989—1998 年,在莊逢甘院士主持的兩期國家自然科學(xué)基金委重大項(xiàng)目中,童秉綱先生均負(fù)責(zé)了相關(guān)的旋渦運(yùn)動(dòng)研究子課題,其中有兩項(xiàng)成果分別被列為兩期重大項(xiàng)目的亮點(diǎn)(柯辛1993,國家自然科學(xué)基金委1999).第1 項(xiàng)是他指導(dǎo)的博士生陸夕云的博士論文工作中關(guān)于圓柱動(dòng)態(tài)繞流現(xiàn)象的研究(陸夕云1992).圓柱動(dòng)態(tài)繞流雖然是個(gè)簡單的模型,但可以揭示復(fù)雜的渦運(yùn)動(dòng)形態(tài)及其非線性機(jī)制,在當(dāng)時(shí)對(duì)動(dòng)態(tài)的物體繞流進(jìn)行有效的非定常數(shù)值模擬還不是一件容易的事.陸夕云的工作率先數(shù)值模擬了圓柱沿任意方向大幅振動(dòng)的近尾跡復(fù)雜渦結(jié)構(gòu)形態(tài)及其演化過程,給出了頻率和振幅相平面內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)分區(qū)圖,揭示了渦脫落中相位轉(zhuǎn)換、模態(tài)競爭等非線性特征.第2 項(xiàng)是他指導(dǎo)的博士生孫德軍的博士論文工作(孫德軍1995),主要采用了兩種不同途徑對(duì)圓柱尾跡的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,分別是局部“絕對(duì)/對(duì)流不穩(wěn)定性”分析和非平行流的“整體不穩(wěn)定性”分析,揭示了整體模態(tài)跳躍和渦街形成的機(jī)理.特別是在圓柱振動(dòng)情況下,首次對(duì)周期性尾跡開展了Floquet 穩(wěn)定性分析,揭示了渦街被激發(fā)或抑制的參數(shù)規(guī)律及不穩(wěn)定性機(jī)理.孫德軍還因此獲得了中國科學(xué)院院長獎(jiǎng).

童秉綱先生所領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)還在渦方法上開展了若干開拓性的工作.他們成功處理了物面上具有凸拐角點(diǎn)或局部質(zhì)量引射的復(fù)雜構(gòu)形繞流問題; 發(fā)展了計(jì)算復(fù)雜構(gòu)形的快速渦方法,有效提高了流場(chǎng)分辨率; 提出了一種新的自適應(yīng)渦團(tuán)模型和相應(yīng)的確定性計(jì)算格式; 還提出了一種渦方法與有限差分法結(jié)合的分區(qū)混合計(jì)算方法.進(jìn)而,應(yīng)用這些方法成功地模擬了鈍體繞流、剪切層和尾跡的演化、旋渦之間的相互作用、旋渦碰到物體的反彈等問題,揭示了蘊(yùn)含其中的多種流動(dòng)機(jī)理.

為了促進(jìn)國內(nèi)非定常流和渦控制的研究,童秉綱和崔爾杰等在1990 年舉辦了“非定常流與渦控制” 講習(xí)班,并出版了專著《非定常流與渦運(yùn)動(dòng)》.作為“分離流與渦運(yùn)動(dòng)” 會(huì)議的組委會(huì)成員,他積極推動(dòng)了該會(huì)議的持續(xù)召開.在21 世紀(jì)初,童秉綱先生還極力支持吳鎮(zhèn)遠(yuǎn)先生倡導(dǎo)的渦動(dòng)力學(xué)休研會(huì),并主持制定了這個(gè)會(huì)議的基本原則,即小型、高端、基于邀請(qǐng)、充分討論,這些原則一直堅(jiān)持至今.

3 飛行和游動(dòng)的生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)

生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)是研究運(yùn)動(dòng)生物在神經(jīng)信號(hào)控制下,驅(qū)動(dòng)其肌肉產(chǎn)生收縮動(dòng)作,使生物體或執(zhí)行器官發(fā)生形變并與周圍流體相互作用,從而實(shí)現(xiàn)自主游動(dòng)和自主飛行的一門交叉學(xué)科.研究內(nèi)容包括了神經(jīng)控制、肌肉力學(xué)、生物材料性能、生物的形態(tài)及其運(yùn)動(dòng)模式(運(yùn)動(dòng)學(xué))、其推進(jìn)和控制機(jī)制(生物外部流體力學(xué))、能量轉(zhuǎn)換及其效率(力能學(xué))等.研究生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)這個(gè)交叉學(xué)科具有兩個(gè)方面的需求.其一,工程技術(shù)專家要利用生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論研制仿生水下航行器和微型飛行器;其二,動(dòng)物學(xué)家要研究游動(dòng)和飛行的力學(xué)效應(yīng)對(duì)動(dòng)物的生理學(xué)、生態(tài)學(xué)、動(dòng)物行為及進(jìn)化的相互影響.因此,飛行和游動(dòng)的生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)是一個(gè)以流體力學(xué)為先導(dǎo)的交叉前沿領(lǐng)域.

1985 年,童秉綱先生與莊禮賢教授共同指導(dǎo)博士生程健宇開始從事魚游方面的工作.基于流體力學(xué)的理論,建立了三維波動(dòng)板模型: 對(duì)任意平面形狀、波幅沿體長任意變化的三維波動(dòng)板產(chǎn)生的大雷諾數(shù)流動(dòng)進(jìn)行簡化,在時(shí)域內(nèi)數(shù)值求解基于勢(shì)流的非定常渦環(huán)面元法,當(dāng)魚類巡游時(shí),可簡化為在頻域內(nèi)求解.通過對(duì)鰻鱺模式和鲹科模式推進(jìn)的分析,發(fā)現(xiàn)波動(dòng)推進(jìn)方式減弱了三維流動(dòng)效應(yīng),特別是“體長接近一個(gè)波長的鰻鱺模式,三維效應(yīng)幾乎消失”.根據(jù)該理論的分析結(jié)果,界定了經(jīng)典的細(xì)長體理論和二維波動(dòng)板理論的適用范圍.同時(shí),該理論還被用于分析最佳游動(dòng)方式以及亞鲹科模式、鲹科模式和月牙尾推進(jìn)3 種類型的尾鰭形狀優(yōu)選,從流體力學(xué)觀點(diǎn)探討了水生動(dòng)物進(jìn)化的形態(tài)適應(yīng)問題(Cheng et al.1991,Tong et al.1993).時(shí)任JFM 副主編的Pedley 教授在給程健宇的信(1996) 中評(píng)述,“三維波動(dòng)板理論是繼六十年代Lighthill 開創(chuàng)性的細(xì)長體理論之后,第一個(gè)可用于求解魚類推進(jìn)的三維流體力學(xué)新方法”.多年來,童秉綱先生所建立的三維波動(dòng)板理論也被國內(nèi)外同行公認(rèn)為生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的重要理論之一.

20 世紀(jì)末和21 世紀(jì)初,仿生學(xué)研究在國際上逐漸受到重視,從動(dòng)物運(yùn)動(dòng)中吸取靈感推動(dòng)了生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展.童秉綱先生組建了中國科學(xué)院研究生院與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的仿生力學(xué)研究聯(lián)合團(tuán)隊(duì),主要研究昆蟲飛行和魚類游動(dòng)的流動(dòng)物理,發(fā)展了活體運(yùn)動(dòng)觀測(cè)、模型實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論?；榷喾N研究手段.同時(shí),還營造國內(nèi)外合作交流的環(huán)境(圖2),與境外專家建立協(xié)作關(guān)系或邀請(qǐng)他們來訪交流(如千葉大學(xué)的劉浩、加州理工學(xué)院的吳耀祖、佐治亞理工學(xué)院的吳鎮(zhèn)遠(yuǎn)和臺(tái)灣大學(xué)應(yīng)用力學(xué)所的張建成等),并密切與國內(nèi)同行聯(lián)系和合作(如清華大學(xué)曾理江、北京航空航天大學(xué)王田苗、哈爾濱工程大學(xué)吳德銘等).基于團(tuán)隊(duì)的努力,為我國游動(dòng)和飛行生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)的研究打開了新的局面.

圖2

在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),陸夕云、楊基明、尹協(xié)振和續(xù)伯欽等幾位教授,搭建了頗具特色的仿生力學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),建設(shè)了一批研究設(shè)備,如低速風(fēng)洞、拖曳式水槽、回流式水洞和靜水池以及多種先進(jìn)測(cè)量儀器,自行研發(fā)了一系列模擬機(jī)構(gòu),包括拍翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)研究平臺(tái)、模擬鰻鱺游動(dòng)模式的波狀壁機(jī)構(gòu)、模擬鲹科游動(dòng)模式的單波長變振幅模擬器、模擬二維流動(dòng)的肥皂膜裝置等等.在中國科學(xué)院大學(xué),校學(xué)術(shù)委員會(huì)于2003 年批準(zhǔn)成立了由童秉綱先生和馬暉揚(yáng)教授組建的中國科學(xué)院研究生院生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室,主要從事理論建模和數(shù)值分析方面的工作.

鑒于取得的研究成果和形成的學(xué)術(shù)影響力,以該團(tuán)隊(duì)為主體申請(qǐng)舉辦了主題為“飛行和游動(dòng)的生物力學(xué)與仿生技術(shù)” 香山科學(xué)會(huì)議,并于2003 年10 月在慶祝香山科學(xué)會(huì)議十周年之際成功召開.童秉綱先生和崔爾杰先生共同擔(dān)任會(huì)議的執(zhí)行主席.這次香山科學(xué)會(huì)議分析了國內(nèi)外生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)及相關(guān)仿生技術(shù)研究現(xiàn)狀,探討了這個(gè)學(xué)科的一些重大科學(xué)問題和戰(zhàn)略需求.同年12 月,在時(shí)任中國科學(xué)院院長路甬祥院士的提議下,又召開了以“仿生學(xué)的科學(xué)意義與前沿” 為主題的第220 次香山科學(xué)會(huì)議,童秉綱先生擔(dān)任了會(huì)議聯(lián)合執(zhí)行主席.

經(jīng)過十幾年的發(fā)展,童秉綱先生指導(dǎo)其研究生在魚類機(jī)動(dòng)游動(dòng)和昆蟲拍翼機(jī)理的研究等方面取得了重要的進(jìn)展.

在魚類游動(dòng)的力學(xué)研究中,童秉綱先生帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了“魚– 水” 系統(tǒng)具有動(dòng)量和動(dòng)量矩守恒的自主推進(jìn)研究.他們提出了變形體動(dòng)力學(xué)方程,把魚體的運(yùn)動(dòng)分解成整體平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)以及變形運(yùn)動(dòng),并將它與流體力學(xué)方程耦合計(jì)算,建立起“魚– 水” 系統(tǒng)滿足系統(tǒng)動(dòng)量和動(dòng)量矩守恒的生物體自主推進(jìn)模型,實(shí)現(xiàn)了魚體自主推進(jìn)的數(shù)值計(jì)算平臺(tái) (Yang et al.2008).吳耀祖在2011 年的綜述文章中提出這種自主推進(jìn)模型也可以拓展到飛行動(dòng)物的自主飛行研究中(Wu 2011).在該平臺(tái)上,首次獲得鲹科魚類定速前游的尾跡渦結(jié)構(gòu),成功地分析了強(qiáng)機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎流動(dòng)物理(Liu et al.2011),并發(fā)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)彎中曲率行波的重要作用.通過對(duì)力能學(xué)的研究發(fā)現(xiàn),滿足自主推進(jìn)的巡游狀態(tài)下,生物標(biāo)準(zhǔn)代謝能耗是決定魚體長距離游泳性能的關(guān)鍵因素(Liu et al.2012); 建立了具有伽利略不變性的變形體力能學(xué)方程,揭示了“魚– 水” 系統(tǒng)中魚體自主游動(dòng)機(jī)械功率的生成和傳遞過程,為研究肌肉輸出功率提供了有效途徑(Wang et al.2018).同時(shí),童秉綱先生還進(jìn)一步提出了運(yùn)動(dòng)鏈一體化概念,開始探索從神經(jīng)信號(hào)支配下的肌肉動(dòng)作到最終的生物體與周圍流體介質(zhì)相互作用的全過程,用以分析生物推進(jìn)及能耗控制的機(jī)理,對(duì)活體生物材料的性質(zhì)和肌肉性能進(jìn)行了評(píng)估,結(jié)果符合生物學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的預(yù)期(Zhang et al.2014).

在昆蟲拍翼飛行方面,中小型昆蟲高頻拍翼產(chǎn)生飛行動(dòng)力的機(jī)制是當(dāng)時(shí)難以理解的問題.當(dāng)飛行器小到厘米甚至毫米量級(jí)時(shí),采用大型飛行器的固定翼或者旋翼的飛行方式難以產(chǎn)生足夠的飛行升力,其原因在于飛行雷諾數(shù)小到百的量級(jí)時(shí),固定翼或者旋翼難以克服黏性帶來的氣動(dòng)局限性,而自然界中的昆蟲通過高頻的拍翼獲得了飛行所需的高氣動(dòng)力.為了研究高氣動(dòng)力的成因,他們對(duì)高頻拍翼引起的流動(dòng)非定常性和黏性效應(yīng)進(jìn)行了量級(jí)分析,提出了強(qiáng)非定常流動(dòng)可以抑制黏性效應(yīng)的判據(jù),并建立了簡化的空氣動(dòng)力學(xué)模型: 把黏性效應(yīng)歸結(jié)為昆蟲翼前、后緣脫瀉的渦,而大部分空間的流動(dòng)仍可簡化為無黏流(Yu et al.2003).簡化后的流動(dòng)可以用半數(shù)值半解析的方法進(jìn)行求解,并首次闡明中小型昆蟲高頻撲翼飛行的高升力來源,即附加慣性效應(yīng)、前緣渦控制和后緣渦控制(余永亮等2005).吳耀祖在綜述魚游和昆蟲飛行方面的進(jìn)展時(shí),把該理論建模工作列為昆蟲大攻角拍動(dòng)飛行領(lǐng)域的代表性工作(Wu 2011).

4 航天器氣動(dòng)熱力學(xué)

20 世紀(jì)80 年代,美國已經(jīng)出現(xiàn)了航天飛機(jī),其構(gòu)形和流場(chǎng)復(fù)雜,不僅存在邊界層傳熱,還存在激波干擾導(dǎo)致的分離– 再附流動(dòng)及局部高熱流環(huán)境.因此,在航天工程中,熱防護(hù)是一個(gè)關(guān)鍵問題,而預(yù)測(cè)飛行器表面熱環(huán)境是防熱設(shè)計(jì)的前提條件.然而,準(zhǔn)確地確定飛行器表面的氣動(dòng)加熱率要比確定其空氣動(dòng)力更為困難.

1988 年,童秉綱先生與馬暉揚(yáng)教授在中國科學(xué)院研究生院創(chuàng)建了空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室,并與中國航天空氣動(dòng)力研究院的姜貴慶研究員開始合作指導(dǎo)博士生,使得科學(xué)研究與工程應(yīng)用緊密結(jié)合.他們開始在學(xué)術(shù)上探索一條新路,發(fā)展了有效的有限元算法來解決復(fù)雜構(gòu)型高超聲速氣動(dòng)熱環(huán)境預(yù)測(cè)問題,共同推進(jìn)了計(jì)算氣動(dòng)熱力學(xué)的發(fā)展.

童秉綱等在結(jié)構(gòu)網(wǎng)格框架內(nèi)發(fā)展了一套對(duì)激波具有高分辨率的有限元– 有限差分混合算法,更加適用于計(jì)算高超聲速復(fù)雜構(gòu)形的黏性流場(chǎng) (曹樹聲 1991,王巖 1996).他們還根據(jù)壁面流動(dòng)的能量和動(dòng)量守恒律,導(dǎo)出了計(jì)算壁面熱流和摩阻的積分型公式(段占元1998).與傳統(tǒng)的溫度梯度差分算法相比,這種積分型算法大大減弱了因數(shù)值離散方式與網(wǎng)格雷諾數(shù)存在強(qiáng)相關(guān)引起熱流計(jì)算的不確定性,能夠可靠地預(yù)測(cè)復(fù)雜流動(dòng)中的峰值熱流.相關(guān)成果被航天五院成功地應(yīng)用于神舟1 號(hào)飛船局部構(gòu)件的復(fù)雜熱環(huán)境預(yù)測(cè).他們進(jìn)一步完善了該有限元算法,應(yīng)用到“翼– 身– 舵”三維組合體構(gòu)型的高超聲速熱環(huán)境計(jì)算,并在國內(nèi)首次開展了非燒蝕熱防護(hù)技術(shù)的研究(艾邦成2006).以該研究為基礎(chǔ),國內(nèi)逐漸發(fā)展出疏導(dǎo)式熱防護(hù)設(shè)計(jì)概念.

進(jìn)入21 世紀(jì)以來,近空間高超聲速巡航飛行器受到了極大的關(guān)注.童秉綱先生帶領(lǐng)學(xué)生在近空間新型飛行器氣動(dòng)熱環(huán)境精確預(yù)測(cè)方面開展了工程理論的研究.由于近空間高速飛行器為了提高升阻比,多采用尖頭薄翼的乘波體/升力體外形,其前緣尺寸可小至毫米量級(jí),又由于近空間空氣密度較小,致使在前緣局部區(qū)域出現(xiàn)近連續(xù)或稀薄過渡流動(dòng).同時(shí),由于飛行速度高,飛行器頭部形成強(qiáng)激波,波后高溫空氣中的氧氣和氮?dú)夥肿訉l(fā)生振動(dòng)能激發(fā)、離解– 復(fù)合等一系列物理化學(xué)過程,統(tǒng)稱為高溫真實(shí)氣體效應(yīng),且該過程一般是非平衡的.對(duì)于高速、高溫、局部稀薄和熱– 化學(xué)非平衡的流動(dòng)傳熱問題,傳統(tǒng)的理論方法已失效.童秉綱及其研究團(tuán)隊(duì)建立了沿駐點(diǎn)線的準(zhǔn)一維流動(dòng)模型,給出了考慮稀薄氣體效應(yīng)和非平衡真實(shí)氣體效應(yīng)的尖化前緣氣動(dòng)加熱的工程理論.首先,建立了非傅里葉傳熱模型,用以研究分子碰撞非平衡引起的稀薄氣體效應(yīng),提出了適用于高超聲速稀薄流動(dòng)問題的判據(jù)(Wang et al.2010).其次,基于理想離解氣體模型和激波映射方法,建立了計(jì)及非平衡真實(shí)氣體效應(yīng)的氣動(dòng)加熱模型,提出了具有定量物理意義的非平衡流動(dòng)判據(jù)(Wang et al.2013).綜合以上兩個(gè)模型,給出了稀薄氣體效應(yīng)和真實(shí)氣體效應(yīng)耦合作用下的氣動(dòng)加熱預(yù)測(cè)方法,豐富了人們對(duì)真實(shí)氣體流動(dòng)相似律和天地?fù)Q算準(zhǔn)則的認(rèn)識(shí).這些研究工作受到了人們的關(guān)注,相關(guān)博士論文應(yīng)邀在“Springer Theses” 系列中出版.他們還與航天工程單位開展工程應(yīng)用型的合作研究,使相關(guān)的研究結(jié)果在工程快速估算中得到直接應(yīng)用.

童秉綱先生在上述流體力學(xué)3 個(gè)分支學(xué)科上具體實(shí)踐了工程科學(xué)思想.他與合作者們從航空、航天飛行器以及仿生航行器等工程需求出發(fā),凝練科學(xué)問題,在非定常流動(dòng)的動(dòng)導(dǎo)數(shù)、曲地面效應(yīng)、鈍體繞流旋渦結(jié)構(gòu)、波動(dòng)推進(jìn)、高頻拍翼、非燒蝕傳熱、稀薄和非平衡氣動(dòng)加熱等方面,抽象出簡化的力學(xué)模型,結(jié)合理論模化和數(shù)值手段,形成具有通用性的理論方法,深化了對(duì)流動(dòng)機(jī)理的認(rèn)識(shí),搭建了相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)與技術(shù)的橋梁.

作為我國著名的力學(xué)教育家,童秉綱先生從教六十余載,為我國的力學(xué)教育事業(yè)作出了杰出的貢獻(xiàn).20 世紀(jì)50 年代,他在哈爾濱工業(yè)大學(xué)主持創(chuàng)建了國內(nèi)第一個(gè)理論力學(xué)教研室,該教研室是當(dāng)時(shí)國內(nèi)聞名的先進(jìn)教學(xué)集體之一.他于1961 年到中科大近代力學(xué)系任教,協(xié)助錢學(xué)森、林同驥、卞蔭貴等先生建設(shè)了中科大流體力學(xué)的專業(yè)教學(xué)體系.他勇挑重?fù)?dān),為振興中科大力學(xué)系做出了不懈的努力.現(xiàn)在中科大力學(xué)學(xué)科是全國重點(diǎn)一級(jí)學(xué)科,其教學(xué)和研究水平居于國內(nèi)前列,受到國內(nèi)同行的尊重,其中凝聚了童秉綱先生多年的心血和辛勞(圖3).

童秉綱先生對(duì)力學(xué)教學(xué)及方法論均有深刻的理解,撰寫過多部教材,均廣受好評(píng).他早年在哈爾濱工業(yè)大學(xué)主持編寫的《理論力學(xué)》(第1 版) (1961),被評(píng)定為“全國試用教科書”,是國內(nèi)最有影響力的工科理論力學(xué)教材.他和孔祥言、鄧國華編著的《氣體動(dòng)力學(xué)》教材成為國內(nèi)多所重點(diǎn)高校和著名研究機(jī)構(gòu)受歡迎的教材和參考書,臺(tái)灣成功大學(xué)航空太空學(xué)院也用該書授課.該書還獲1995 年國家教委優(yōu)秀教材一等獎(jiǎng),1998 年獲得教育部科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng).童秉綱還和尹協(xié)遠(yuǎn)、朱克勤合作撰寫了《渦運(yùn)動(dòng)理論》的簡明教程,旨在構(gòu)筑從流體力學(xué)基本理論通向渦運(yùn)動(dòng)研究前沿的一座橋梁,出版至今已20 年,在讀者中仍享有盛譽(yù).

童秉綱先生45 歲才從事科研工作,然成績卓著.他曾總結(jié)過自身的經(jīng)歷,概括為“逆境很長、服務(wù)很多、很晚創(chuàng)業(yè)、小有成就”.做人“講誠信、講和諧”,做事“精心籌劃,真誠合作; 鍥而不舍,講求成效”,做學(xué)問信奉“取法乎上,得乎其中; 取法乎中,得乎其下”,堅(jiān)持高標(biāo)準(zhǔn)要求.先生以教書育人為己任,言傳身教,把不畏曲折、真誠坦蕩、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)貫穿于教育始終,堪為師者典范和學(xué)者楷模.

在此,謹(jǐn)代表恩師的弟子們撰寫此文,深切緬懷童秉綱先生!

圖3

致 謝感謝李家春、莊禮賢、尹協(xié)遠(yuǎn)、馬暉揚(yáng)、尹協(xié)振、倪明玖、鮑麟和王智慧等提供相關(guān)資料及對(duì)本文提出的修改意見.本文部分素材取自《海潮逐浪,鏡水周回—— 童秉綱口述人生》.