李家春

(中國科學(xué)院力學(xué)研究所,北京 100190)

2023 年12 月25 日是《力學(xué)學(xué)報》原主編吳承康先生逝世一周年紀(jì)念日.吳承康先生(圖1)是中國科學(xué)院院士,我國燃燒學(xué)、高溫氣體動力學(xué)、等離子體動力學(xué)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(shù)等方面取得了一系列開拓性成果,為我國航天事業(yè)和能源工程做出了重要貢獻(xiàn).

吳承康先生1929 年11 月出生于上海.1947 年考入上海交通大學(xué),1949 年赴美威斯康辛大學(xué)和麻省理工學(xué)院學(xué)習(xí),并于1957 年獲科學(xué)博士學(xué)位.胸懷報效祖國的崇高信念,吳先生毅然放棄美國的優(yōu)渥生活,學(xué)成后便于1957 年9 月回國.先后在中國科學(xué)院動力研究室、力學(xué)研究所,第七機(jī)械工業(yè)部207 和701 所工作.1978 年回中國科學(xué)院力學(xué)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(jì)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(xué)有許多創(chuàng)新的研究成果.他通過測量汽油機(jī)瞬時溫度,解決了爆震機(jī)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(fā)生的定量準(zhǔn)則.他用激光測速法確定了“真正的一維火焰?zhèn)鞑ニ俣取?澄清了一段時間以來由于火焰拉伸導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)分散的原因.他發(fā)展了非對稱射流技術(shù),通過在預(yù)燃室中形成湍流混合的大環(huán)流區(qū),實(shí)現(xiàn)煤粉和水煤漿的點(diǎn)火和穩(wěn)燃,并被成功和廣泛地應(yīng)用于我國電站鍋爐運(yùn)行中.他開展了端頭與局部燒蝕試驗(yàn)的研究,提出結(jié)構(gòu)防熱設(shè)計(jì)原則,并被型號部門采用等等.這些基礎(chǔ)和應(yīng)用研究成果為我國的“兩彈一星”事業(yè)和能源工程做出了重要的貢獻(xiàn).

吳先生積極推動等離子體學(xué)科的研究和應(yīng)用,曾連續(xù)四屆擔(dān)任中國力學(xué)學(xué)會的等離子體科學(xué)與技術(shù)專業(yè)委員會主任 20 年,并多次組織國際和亞太地區(qū)等離子體科學(xué)的學(xué)術(shù)交流活動.在他的努力下,第十三屆等離子體化學(xué)國際學(xué)術(shù)會議(ISPC13)于1997 年8 月在北京成功召開,得到美國 Minnisoda 大學(xué) E.Pfender 教授等國際等離子體界專家學(xué)者的高度贊譽(yù),促進(jìn)了我國等離子體學(xué)科和工業(yè)應(yīng)用的穩(wěn)步發(fā)展.

為繼承吳承康先生的學(xué)術(shù)思想,弘揚(yáng)他的科學(xué)精神,追憶他的科學(xué)貢獻(xiàn),《力學(xué)學(xué)報》組織出版《吳承康先生紀(jì)念?？?該特刊包括學(xué)科綜述、學(xué)術(shù)論文和研究方法等不同體裁,涵蓋了燃燒科學(xué)和能源工程、高溫氣體動力學(xué)和推進(jìn)技術(shù)、等離子體動力學(xué)和工業(yè)應(yīng)用等不同領(lǐng)域,共計(jì)22 篇文章.希望以此推動相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流和研究進(jìn)展.

在燃燒科學(xué)和能源工程方面,上海交通大學(xué)齊飛等研究射流擴(kuò)散火焰不穩(wěn)定性對頻率特性的影響.他們用PIV 解析流場結(jié)構(gòu)的動態(tài)演變,驗(yàn)證火焰閃爍的外渦環(huán)主導(dǎo)機(jī)制,發(fā)現(xiàn)浮力主控火焰varicose 模態(tài)的頻率相較于sinuous 模態(tài)有明顯提升,而動量主控火焰的頻率顯著偏離了經(jīng)典的1/2 標(biāo)度律.清華大學(xué)張海等綜述富氫燃料射流火焰回火的研究現(xiàn)狀,分析燃料氫含量、燃燒室條件、噴嘴結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵參數(shù)對回火特性的影響,提出克服或減緩回火現(xiàn)象的燃燒器設(shè)計(jì)方法,并建議未來應(yīng)加強(qiáng)具有高效防回火功能的燃燒技術(shù)研究,以提高燃?xì)廨啓C(jī)使用低碳燃料的安全性和可靠性.西安交通大學(xué)王金華等通過對燃燒場的測量,包括火焰結(jié)構(gòu)、可燃極限、火焰穩(wěn)定性及污染物排放特性,揭示等離子體能夠通過連續(xù)點(diǎn)火、產(chǎn)生活性組分提高火焰穩(wěn)定性并拓展吹熄極限的影響規(guī)律,可對臨近吹熄時燃燒時燃燒進(jìn)行有效調(diào)控,同時亦有NOx排放增加的不利影響.華中科技大學(xué)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(jié)合化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模擬,明確了NOx的生成特性和反應(yīng)路徑,為低氮氨燃燒器設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化提供指導(dǎo).西安交通大學(xué)胡二江等闡述零碳燃料氨的分解反應(yīng)機(jī)理,綜述鐵系金屬催化氨裂解制氫的最新研究進(jìn)展,重點(diǎn)介紹等離子體技術(shù)的原理、種類、作用機(jī)制以及在輔助催化氨裂解制氫方面的協(xié)同效應(yīng)和顯著優(yōu)勢,為未來高效低成本靈活氨分解氫的技術(shù)發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用提供了新思路.東南大學(xué)肖睿等綜述常見生物質(zhì)含氧衍生物的制備方法,詳述實(shí)現(xiàn)碳鏈增長的六條主要途徑,評價了生物質(zhì)領(lǐng)域長鏈含氧化合物的最新合成路徑,為生物質(zhì)長鏈含氧燃料的發(fā)展提供了依據(jù).中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)夏維東等認(rèn)為,作為高品位光、熱與化學(xué)能的能量載體,熱等離子體可視為相當(dāng)于“氫能”的二次能源.在綜述等離子體能技術(shù)后,分析等離子體能替代燃燒加熱和高效轉(zhuǎn)化利用CO2對助力中國重工業(yè)“碳中和”的重要作用,并提出了綠電-等離子體能驅(qū)動的再造傳統(tǒng)工業(yè)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(xué)院力學(xué)研究所魏小林等對轉(zhuǎn)爐煤氣余熱回收利用過程中的CO 爆燃現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬,探究CO 當(dāng)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(jié)合生產(chǎn)實(shí)際提出煤氣爆炸遏制和預(yù)防的方法和技術(shù).

在高溫氣體動力學(xué)和推進(jìn)技術(shù)方面,北京航空航天大學(xué)王海興等針對高超聲速飛行器面臨復(fù)雜的氣動熱環(huán)境,分析激波層內(nèi)氣體輻射特性與飛行狀態(tài)的相關(guān)性,發(fā)展高溫空氣態(tài)-態(tài)動力學(xué)和逐線輻射耦合計(jì)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(jī)制.清華大學(xué)李和平等基于“能量樹”概念對等離子體中非平衡協(xié)同輸運(yùn)機(jī)制進(jìn)行深入分析,提出通過改變工作氣壓調(diào)節(jié)等離子體沖擊壁面熱流密度的方法.作為燒蝕材料高焓風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)預(yù)先研究,在實(shí)驗(yàn)室開展了高速飛行器再入過程中表面熱環(huán)境和典型部件燒蝕的地面模擬,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與空間飛行試驗(yàn)吻合良好.中國科學(xué)院力學(xué)研究所黃河激等利用能量和工質(zhì)歸一化方法對超低軌空間的飛行動力學(xué)環(huán)境進(jìn)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(xué)院力學(xué)研究所肖雅彬等針對飛行器一體化設(shè)計(jì),創(chuàng)新性地提出基于流管劃分的前體/進(jìn)氣道一體化設(shè)計(jì)方法,不僅實(shí)現(xiàn)了收縮比可控,且理論上滿足流場出口流動參數(shù)分布均勻的要求,初步數(shù)值仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性.哈爾濱工業(yè)大學(xué)于達(dá)仁等面向空間運(yùn)輸任務(wù),通過分析主流大功率電推進(jìn)技術(shù),結(jié)合各類電推進(jìn)工質(zhì)優(yōu)化選擇,論述了采取新型液體或固體工質(zhì)作為電推進(jìn)工質(zhì)的合理性和可行性,以期降低電推進(jìn)的工質(zhì)儲存代價和工質(zhì)成本,為遠(yuǎn)距離高載荷比空間運(yùn)輸提供空間動力新方案.

在等離子體動力學(xué)與工業(yè)應(yīng)用方面,中國科學(xué)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(chǎn)生方式、特性控制及其應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)綜述,指出針對具體應(yīng)用場景發(fā)展新型大尺寸電弧等離子體發(fā)生器,研究精確調(diào)控電弧等離子體空間位形、動態(tài)行為、傳熱和流動仍是未來研發(fā)重點(diǎn).大連理工大學(xué)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(jìn)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(xué)張遠(yuǎn)濤等以數(shù)據(jù)驅(qū)動方法在大氣壓射頻放電中的應(yīng)用研究為例,發(fā)現(xiàn)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以近乎實(shí)時地給出計(jì)算結(jié)果,并可極大豐富和強(qiáng)化原有的數(shù)值模擬效果,更好地體現(xiàn)射頻等離子體的演化規(guī)律.北京印刷學(xué)院陳強(qiáng)等從放電機(jī)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(xiàn)象的研究現(xiàn)狀,闡述影響螺旋波等離子體放電特性的關(guān)鍵參數(shù)和主要能量沉積機(jī)制,指出未來需要借助于包括AI 的數(shù)值模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)對螺旋波等離子體放電特性的精確診斷和能量耦合機(jī)制的深入理解.蘇州大學(xué)吳雪梅等對高頻高壓交流電源驅(qū)動的雙環(huán)狀電極等離子體射流進(jìn)行了納秒級時間分辨診斷，揭示了等離子體射流詳細(xì)的演化過程，為等離子體行為規(guī)律分析和等離子體設(shè)備優(yōu)化提供了參考.上海交通大學(xué)鐘曉霞等介紹了等離子體電化學(xué)方法,考察了等離子體電化學(xué)法制備金、銀納米顆粒與碳量子點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其應(yīng)用的進(jìn)展,討論了當(dāng)前研究中的問題與挑戰(zhàn),并嘗試提出解決方案.東華大學(xué)張菁等簡述研究團(tuán)隊(duì)在脈沖和連續(xù)波低溫等離子體放電特性、等離子體化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、等離子體多場耦合作用對納米結(jié)構(gòu)材料的生長和二維塵埃晶體形成的調(diào)控行為等方面的研究進(jìn)展.中國科學(xué)院力學(xué)研究所盛宏至等綜述了低溫?zé)岬入x子體處理固體廢物的基礎(chǔ)研究、技術(shù)原理和工程應(yīng)用進(jìn)展,分析了當(dāng)前應(yīng)用中的問題并提出發(fā)展建議.華中科技大學(xué)劉大偉等開發(fā)了一套基于離子風(fēng)增強(qiáng)帶電氣溶膠沉積的負(fù)直流電暈放電系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了大面積、陣列式的負(fù)直流電暈等離子體,產(chǎn)生的離子風(fēng)可以有效促進(jìn)云室內(nèi)氣溶膠的循環(huán)、荷電、碰并和在網(wǎng)狀電極上的沉積,水霧沉積量可達(dá)到單電極放電的8.3 倍,該系統(tǒng)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(yīng)該根據(jù)需求,可以是國家建設(shè)的需要,也可以是科學(xué)發(fā)展中需要回答的重要學(xué)術(shù)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(chǔ)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(jìn)燃燒科學(xué)和能源工程、高溫氣體動力學(xué)和推進(jìn)技術(shù)、等離子體動力學(xué)和工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域的學(xué)科發(fā)展及其應(yīng)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！