主题：【转贴】吴仲华和他的三元流理论 -- 晨枫

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作者：陈宏冀赵晓路

吴仲华(1917-1992)，工程热物理学家，中国科学院院士。原籍江苏省苏州市。1941年毕业于昆明国立西南联大机械系，1947年获美国麻省理工学院博士学位。1980年创建中国科学院工程热物理研究所并任首届所长。曾任中国科学院力学研究所副所长、中国工程热物理学会理事长、中国科学院主席团执行主席。

吴先生在科学技术上贡献卓著。他于20世纪50年代初创造性地建立了叶轮机械三元流动理论，得到了国际学术、工程技术界的一致公认，称其为“吴氏通用理论”，其主要方程被称为“吴氏方程”。60年代中期，他提出了使用任意非正交曲线坐标与相应的非正交速度分量的叶轮机械三元流动基本方程组，将这理论提高到了新的高度。至今，叶轮机械三元流动理论仍是当代先进叶轮机械设计分析的理论基础和有力工具，在国内外航空发动机和其他叶轮机械的研制中不断发挥着重要作用。他在工程热力学和能源科学方面也进行了大量开创性的工作，在国内外有很大的影响。

在20世纪40年代燃气轮机发展初期，轴流式压气机与透平的设计是建立在平均直径处的计算及在该直径处圆柱面上的叶栅流动的基础上的，平面叶栅实验数据及相应的理论起着很大的作用。当时对于在半径方向叶片可以怎样扭转以及作功量等参量可以怎样变化等问题都不很清楚。特别在采用什么样的数学方法和模型来模拟分析叶轮机械复杂的内部流动，并基于这种方法和模型来建立叶轮机械的设计方法乃至设计体系的问题上，存在着不同的思路。30-40年代，在跨、超声速外部流动研究领域，解析方法取得了很大的成功，为人类克服音障做出了巨大贡献。在这种背景下，一种意见认为：叶轮机械流动也可以走外流使用解析方法的成功之路。吴仲华教授分析叶轮机械内部流动的特点，看到叶轮机械内部流动有着十分复杂的边界条件，沿用外流解析方法很难准确地描述分析复杂的流动物理图像。同时，吴仲华教授富有远见地看到当时刚刚出现的电子计算机的巨大生命力，以及基于计算机技术和计算数学的数值计算方法在叶轮机械内部流动领域具有的广阔应用前景。吴仲华教授开始着手建立分析叶轮机械复杂内部流动的数学物理模型。从1949年起的短短三四年中相继发表了一系列研究成果，使叶轮机械设计理论迅速提升，连上几个台阶，并终于在此基础上产生飞跃，提出了里程碑式的叶轮机械三元流动通用理论，奠定了当代航空发动机和其他叶轮机械设计方法的基础。回顾这一成功创新的过程，将给人以启迪。

在当时的计算条件和对内部流动的认识水平的限制下，直接求解叶轮机械叶片槽道空间三维流动是完全不可能的。把复杂问题适当简化几乎成为惟一的途径。但是这种简化必须建立在对问题物理本质的充分理解和掌握之上。吴仲华教授继承和发展了前人关于叶轮机械设计的基础理念。在无穷多叶片简化径向平衡方程计算的基础上发展了通流计算方法，并进一步发展成为专门研究从叶片根部到叶片顶部流动的S流面计算；相应地从叶片到叶片间的流动情况也由过去的圆柱面上的流动发展到沿S流面的流动，而且不必再限于轴流式叶轮机械，对径流式、混流式都通用。通过这两类流面的适当组合、相互迭代，就能完整地得出气流流过叶轮机械叶片槽道空间的三维变化，这就形成了著名的叶轮机械三元流动通用理论。

吴仲华教授预见到数值方法蕴藏的巨大潜力，富有远见地建立了用于叶轮机械三元流动大型工程计算的通用理论；将空间三维问题分解为二维问题(流面)处理，不仅仅是由于计算能力限制而采取的变通手段，它更反映了人们在解决复杂工程问题的设计和优化时的思维习惯。直至今天，随着计算机和计算流体力学的迅速发展，直接求解叶轮机械三元流动已经不是一件难事，但是吴仲华教授的叶轮机械三元流动通用理论和S2、S1流面迭代方法仍是叶轮机械设计体系的重要组成部分。这充分说明：叶轮机械三元流动通用理论深刻地揭示了叶轮机械内部流动的内在规律。叶轮机械三元流动通用理论的发展过程反映了数学推导、物理概念、工程实用完美的结合。吴仲华教授对整个理论的发展，至少从文献看不是一步到位的，而是有许多步骤，一步一步将被忽略的因素考虑进去，先影响大的、主要的，后影响小的、次要的，同时要解决由此带来的具体计算问题，这样数学模型由粗略逐步提高为精确，相应的计算方法也提了出来，最后达到一个新的水平。值得一提的是除了当时人工计算可以使用的外，还包括了以后大型电子计算机发展起来后才能使用的方法，而那时电子计算机刚问世不久。这样一个发展轨迹可能就是他的思维逻辑轨迹，至少是表述的轨迹，是符合一个合理的规律的。

撰稿人：陈宏冀赵晓路

点评：

著名的“叶轮机械三元流动通用理论”是怎样形成的？它不是一步到位，而是一步一步先影响大的、主要的，后影响小的、次要的，将被忽略的因素考虑进去，同时解决由此带来的具体计算问题，从而使数学模型由粗略逐步逼近精确，相应的计算方法也提出来，最后达到一个新的水平。“从1949年起的短短的三、四年中相继发表了一系列研究成果，使理论迅速提升，连上几个台阶，并终于在此基础上产生飞跃，提出了里程碑式的叶轮机械三元流动通用理论。”读者从中可领略吴仲华先生重要的科学思想和科学方法。