跨越天空的距離
——記北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院教授鄒正平

□ 李明麗

航空發(fā)動(dòng)機(jī)，被譽(yù)為一個(gè)國(guó)家的“工業(yè)之花”，這朵“工業(yè)之花”的綻放程度，不僅僅是國(guó)家工業(yè)發(fā)展的標(biāo)志，同時(shí)也是空軍發(fā)展的一面旗幟。雖然，中國(guó)的這朵“工業(yè)之花”經(jīng)歷了極其坎坷的發(fā)展歷程，但所幸近年來(lái)，中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)始終走在前進(jìn)之路上。

之所以能夠穩(wěn)步向前，自然少不了強(qiáng)有力的助推。和北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院教授鄒正平一樣，許許多多的科研工作者正前赴后繼奔赴在這條助推之路上。

精細(xì)化流動(dòng)結(jié)構(gòu)：探流體機(jī)械之謎

每逢畢業(yè)季，除了傷感，還不應(yīng)該忘記曾在綠樹(shù)環(huán)繞、鳥(niǎo)語(yǔ)花香的校園中奮斗過(guò)的青春。1999年4月，鄒正平從北京航空航天大學(xué)動(dòng)力系順利畢業(yè)并獲得工學(xué)博士學(xué)位。經(jīng)過(guò)兩年在北京大學(xué)湍流研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士后研究工作后，鄒正平再次于2001年回到北京航空航天大學(xué)，至今，已是鄒正平在北京航空航天大學(xué)的第17個(gè)年頭了。

十幾年如一日，無(wú)論是葉輪機(jī)內(nèi)部精細(xì)流動(dòng)機(jī)理研究還是精細(xì)化設(shè)計(jì)方法以及新近開(kāi)展的新概念航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)等諸多方面的研究，鄒正平都堅(jiān)持不懈，從未放棄探究其中的奧秘。

流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)的奧秘博大而精深，想要探究流體機(jī)械性能，必須對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行細(xì)致的研究，而這些正是鄒正平研究的重點(diǎn)之一。

鄒正平

“我們了解復(fù)雜流動(dòng)之間的相互作用及其時(shí)空演化機(jī)制，有很大的工程實(shí)踐價(jià)值。比如通過(guò)精心設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)理想的流場(chǎng)組織，通過(guò)有效的控制手段實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)的控制，最終達(dá)到提升流體機(jī)械性能的目的。”鄒正平說(shuō)道。

以低壓渦輪葉片表面邊界層為例，其內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)的時(shí)空演化非常復(fù)雜，是邊界層損失的主控因素，對(duì)于低壓渦輪性能有明顯影響。鄒正平帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)展了三維大渦模擬程序和精細(xì)化實(shí)驗(yàn)等手段，獲取大量的尾跡邊界層相互作用的數(shù)據(jù)并對(duì)此建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)；在此基礎(chǔ)上，對(duì)這種復(fù)雜壓力梯度環(huán)境下非定常激勵(lì)對(duì)邊界層的精細(xì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)及演化機(jī)制進(jìn)行了研究，并建立了二者相互作用的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；并與中國(guó)航發(fā)608研究所合作進(jìn)行了大量的工作，最終成功發(fā)展了適用于低雷諾數(shù)低壓渦輪的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，并獲得實(shí)驗(yàn)的成功驗(yàn)證；此外，基于對(duì)邊界層流動(dòng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)和模型的建立，鄒正平還發(fā)展了高負(fù)荷的低壓渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，并在實(shí)驗(yàn)室得到成功的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這些研究都可為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪的設(shè)計(jì)提供行之有效的設(shè)計(jì)方法和手段。

和學(xué)生一起討論

對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件而言，端區(qū)損失，如二次流和葉尖泄漏損失是另一個(gè)重要的損失來(lái)源，也一直是人們研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求的提高，渦輪的負(fù)荷越來(lái)越重，其內(nèi)部精細(xì)化流動(dòng)組織也顯得越來(lái)越重要。鄒正平通過(guò)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬手段以及理論分析相結(jié)合在該領(lǐng)域也進(jìn)行了大量的研究工作，并取得諸多成果。以葉尖泄漏損失為例，鄒正平通過(guò)深入細(xì)致分析其內(nèi)部精細(xì)化流動(dòng)，探討葉尖泄漏流動(dòng)與通道流動(dòng)的非定常摻混機(jī)制，并獲得對(duì)泄漏損失影響顯著的葉頂主控旋渦結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了相應(yīng)的設(shè)計(jì)手段對(duì)這些主控旋渦的空間演化進(jìn)行把控，最終使得渦輪性能有較大幅度提升。成果背后的艱辛可想而知，但追隨科研腳步的鄒正平并沒(méi)有得到滿足。他再次投身實(shí)驗(yàn)室，對(duì)渦輪內(nèi)部多學(xué)科耦合機(jī)制進(jìn)行研究。在他看來(lái)，科研無(wú)止境，將自己扎根于科研中只不過(guò)是一個(gè)普通科研工作者的日常。

先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)：航空發(fā)動(dòng)機(jī)的“命脈”

如果說(shuō)一個(gè)國(guó)家在航空領(lǐng)域的發(fā)展是綜合國(guó)力的象征，那么發(fā)動(dòng)機(jī)就是航空領(lǐng)域得以發(fā)展的突破口，但這個(gè)通道卻不容易打破，殊不知，其中設(shè)計(jì)技術(shù)就是掌握航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的“命脈”。

鄒正平介紹，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、地面燃?xì)廨啓C(jī)等動(dòng)力裝置來(lái)說(shuō)，渦輪是其中的關(guān)鍵部件之一。雖然渦輪設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷程，但是隨著飛行器要求的不斷提升，航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)渦輪部件也提出了越來(lái)越高的要求，如果不能圍繞這些新需求和使用特點(diǎn)，有針對(duì)性地發(fā)展相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，勢(shì)必難以得到滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果。

通過(guò)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)研究所合作，鄒正平圍繞不同用途的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪工作環(huán)境的特點(diǎn)進(jìn)行分析，有針對(duì)性地探討工作環(huán)境和使用目的變化對(duì)渦輪工作機(jī)制的影響，再結(jié)合精細(xì)化流動(dòng)機(jī)理的研究，發(fā)展了這些變化特征的渦輪設(shè)計(jì)方法，并提出合適的評(píng)價(jià)體系和相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。據(jù)悉，目前已在多個(gè)不同類型渦輪的設(shè)計(jì)技術(shù)中，如適用于渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的多恒定工作轉(zhuǎn)速渦輪、適用于通用核心機(jī)的渦輪、高度緊湊的對(duì)轉(zhuǎn)渦輪、超高氣動(dòng)負(fù)荷的低壓渦輪、計(jì)及低雷諾數(shù)效應(yīng)的低壓渦輪等取得了突破。這些研究工作有助于改變渦輪的氣動(dòng)設(shè)計(jì)理念，促進(jìn)渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)由粗放型設(shè)計(jì)向精細(xì)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，最終實(shí)現(xiàn)渦輪設(shè)計(jì)水平和能力的提升。

除精細(xì)化設(shè)計(jì)技術(shù)之外，鄒正平從事的另外一項(xiàng)設(shè)計(jì)技術(shù)方面研究工作是探討新的設(shè)計(jì)理念，即如何在設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮各種不確定性因素的影響，并開(kāi)展相關(guān)的基礎(chǔ)及方法研究，期望最終能夠形成這些不確定性影響的魯棒性設(shè)計(jì)方法。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造為例，加工裝配的差異是不可避免的，這些差異可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能差異顯著，特別是精細(xì)化設(shè)計(jì)技術(shù)已在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中大量使用，雖然對(duì)提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能卓有成效，但精細(xì)化也可能導(dǎo)致魯棒性下降，從而對(duì)加工、裝配乃至使用維護(hù)等方面帶來(lái)很大困難。鄒正平的工作，就是對(duì)這些不確定性因素的影響規(guī)律進(jìn)行分析，并在設(shè)計(jì)中綜合考慮這些不確定性因素的影響，降低設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的敏感程度，使得航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在具有優(yōu)異性能的同時(shí)，也具有良好的魯棒性。

在鄒正平的科研之路上，課題組陳懋章院士和徐力平教授始終是他的引路人，“他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，踏實(shí)的工作作風(fēng)，優(yōu)良的師德等都深深感染著我。”鄒正平表示。正是這些優(yōu)良作風(fēng)使他深刻體會(huì)到“師者，傳道授業(yè)解惑也”，也增加了他對(duì)學(xué)生培養(yǎng)的責(zé)任感。除了出差或開(kāi)會(huì)，他每天都要騰出時(shí)間與學(xué)生一起討論問(wèn)題。他對(duì)研究生講的最多的話就是：“要么不做，要做就做最好。”

教學(xué)的樂(lè)趣與科研的魅力總是在不經(jīng)意間流傳，要做一件有意義的事情，也許歸根結(jié)底只是因?yàn)橐痪浜?jiǎn)單的話語(yǔ)，一份堅(jiān)持的執(zhí)著。鄒正平說(shuō)，“直到現(xiàn)在，我對(duì)流體機(jī)械研究的興趣也是在不斷增加的，這是一門神奇的學(xué)科，你了解地越深入就越會(huì)被它吸引。”