陈乃兴先生的主要学术成就和对科技发展的重要贡献：隆重纪念陈乃兴先生逝世一周年

王保国，黄伟光，徐燕骥

1.北京理工大学，北京 100081

2. 中国科学院 上海高等研究院，上海 201210

3.上海新喆机电技术发展有限公司，上海 201821

2019年8月6日是中国著名工程热物理学家、国际著名系列会议即国际内流气动热力学会议(International Symposium on experimental and computational Aerothermodynamics of Internal Flows, ISAIF)的主要发起人之一、热科学杂志《Journal of Thermal Science》的创始人、中国科学院工程热物理研究所第2任所长陈乃兴先生逝世一周年的纪念日。陈乃兴先生一生鞠躬尽瘁、殚精竭虑，为中国工程热物理学科的发展以及燃气轮机和航空发动机的设计与研制做出了重大贡献。

陈乃兴先生，1933年9月29日生，原籍广东省番禺县。1951—1952年就读于清华大学，1953年10月赴苏联莫斯科包曼高等工业大学热能与流体机械系学习，1958年3月学成回国并先后在哈尔滨汽轮机厂、国防部第七研究院第三研究所以及海军论证部工作。早在1963年，陈乃兴先生就被授予工程师技术职称、任研究室主任(正团职)。1978年10月吴仲华先生邀请陈乃兴先生前往中国科学院力学研究所工作，并专门为他组建了叶轮机械内部黏性流动计算课题组。1980年，中国科学院工程热物理研究所成立，吴仲华先生任第一任所长，陈乃兴先生先后任副所长和第二任所长。两位老所长为中国科学院工程热物理研究所的创建和飞速发展，为努力提升研究所在国际学术界的位置做出了卓越的贡献。另外，陈乃兴先生曾担任清华大学、中国科学技术大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等多所大学兼职教授，长期担任《中国科学》《科学通报》《航空学报》《工程热物理学报》《航空动力学报》等著名杂志的编委，担任过许多国际学术机构的评审委员和组委会主席等。

对于陈乃兴先生的主要学术成就和对科技发展所做出的重要贡献，以下分6个方面扼要概述。

1 对工程热物理基础理论的贡献

在叶轮机械学术领域中，吴仲华先生是全世界公认的学术大师，他创立的三元流理论和两类流面S1与S2交叉迭代的思想[1-2]为叶轮机械气动热力学的发展搭建了基本的框架[3-4]，而陈乃兴先生则是进一步完善和开拓这个基本框架的践行者、建设者和叶轮机械优化设计的领路人[5-38]。从这个意义上讲，吴仲华先生作为中国科学院工程热物理研究所的首任所长，陈乃兴先生接任吴仲华先生作为中国科学院工程热物理研究所的第二任所长众望所归。吴仲华先生为工程热物理界留下了《吴仲华论文选集》[4]这部不朽的巨著，陈乃兴先生则为工程热物理界留下了光彩夺目的3部著作[36-38]。需要特别说明的是，文献[36]是陈乃兴先生在76岁高龄时完成的英文版专著，这部长达445页的英文版专著凝聚着他半个世纪以来从事叶轮机械气动热力学研究的心血与经验。该书由英国剑桥大学Whittle实验室Denton教授作序，由国际著名出版社John Wiley & Sons出版发行，得到了国内外学术界一致高度的评价[39]。

为了进一步阐述陈乃兴先生对工程热物理学科基础理论方面所做出的贡献，再从以下3个侧面予以说明。

1.1 模拟弯扭叶片复杂涡系结构

陈乃兴先生利用他自行研发的全三维黏流计算方法与程序，对弯扭叶片流场细微复杂涡系结构进行了详细的数值模拟，揭示了流场内各种二次流的生成和发展，以及由其衍生出的各种集中涡系的互相干扰，如图1所示；提出了采用叶片弯曲来控制各种涡系，尤其是通道涡系的稳定性，以降低流场内能量损失的方法。陈乃兴先生的这部分科研成果分别于1999—2001年间在2000年国际热科学与流体力学会议和国际ISAIF等国际会议上，以大会特邀报告的形式发表，相关内容可参阅文献[36]。

图1 涡轮叶片通道内复杂涡系结构

1.2 非正交曲线坐标系下叶轮机械三维黏流基本方程组的张量表达

陈乃兴先生利用矢量与张量运算，建立了适用于非正交曲线坐标表达的叶轮机械三维流动求解的基本方程组，给出了方程组中黏性项、传热项、熵增、黏性力及其做功量和耗散函数等的矢量与张量的具体表达式及其物理含意，并建立了旋涡、速度矩和流线倾角的关系式等。该成果发表在《中国科学》杂志上[5]，并于1989年荣获中国科学院自然科学二等奖。

1.3 叶片设计与优化的创新

陈乃兴先生首次提出了应用J形叶片、特殊马刀形叶片的优化概念、理论与方法。通过对流场的详细分析，发现了J形叶片、特殊马刀形叶片等具有比普通马刀形和直叶片更高的效率；首次详细分析并揭示了叶片轴向弯曲的机理，提出了叶片轴向弯曲能够控制附面层分离的重要概念。

2 系统发展了叶轮机械气动反问题的理论与求解方法

在叶轮机械中，反问题即设计问题是十分重要的。陈乃兴先生系统地提出并发展了叶轮机械反问题的求解方法。这些方法系统、全面，在理论上的贡献主要反映在以下5个侧面：① 用反求度量张量求解杂交问题的方法；② 用两种流函数求解三维正、反与杂交问题的统一解；③ 求解黏性流的“给定流线法”；④ 求解黏性流的压力残差修正法；⑤ 用准三维反问题与三维Navier-Stokes解法相互迭代的三维算法体系。

陈乃兴先生在叶轮机械反问题方面的相关文章，被美国Lakshiminarayana和Dulikravich以及冯·卡门研究所的Braembussche等国际学术界著名教授与学者在其论文中多次引用。此外，受日本东京大学著名反问题与优化问题专家Fujii教授的邀请，陈乃兴先生参与《Recent development of aerodynamic design methodologies: Inverse design and optimization》一书中有关叶轮机械气动反问题一章的撰写，详见该书113～146页[40]。

长期以来，陈乃兴先生一直努力发展叶轮机械正问题与反问题的求解方法，发表了近150余篇论文、出版了3部专著[36-38]，并且一直致力于把设计技术应用到工程实践(见本文第4节)，因此于2002年以“叶轮机械气动正、反问题的求解与设计优化的研究”项目第一完成人荣获国家自然科学二等奖。

3 与国际同步、独立自主地发展了叶轮机械全三维黏性流动正问题求解方法与程序

20世纪70年代，末陈乃兴先生已经成立与领导着一个实力很强的叶轮机械黏性流体力学课题研究组，1994年陈乃兴和黄伟光作为中国科学院工程热物理研究所团队代表参加了ASME Rotor 37 盲题测算。因此，从时间上来看，陈乃兴先生的工作是与国际同步的，如图2所示。

陈乃兴先生所领导的课题组共发展了3套叶轮机械全三维黏性流动的正问题求解方法和程序，陈乃兴先生团队首次将时间推进的有限体积法应用于叶轮机械全三维黏性流动问题的数值求解，所研发的全三维黏流设计方法与软件得到了国内外试验的验证和同行的公认。另外，在国外讲学时，陈乃兴先生的数值计算结果获得了德国Aachen大学的Gallus教授、法国宇航院的Meauze博士等学者的认可与高度评价，他们认为陈乃兴先生的数值结果与他们的试验结果吻合得很好。

下面着重介绍陈乃兴先生成功地参加国际“Rotor 37单转子压气机性能盲题测算”的情况。1994年ASME国际燃气轮机委员会组织了NASA Rotor 37单转子压气机三维黏流的盲题测算，陈乃兴先生主动写信报名参加。虽然这项工作难度很高、压力大，但是陈乃兴先生很有信心，他坚信数十年来亲自发展的理论方法和措施是正确的。当时全世界仅有11个单位报名参算，其中美国5个，英国2个，瑞士2个，意大利1个，中国1个(即陈乃兴和黄伟光所代表的中国科学院工程热物理研究所，是国内唯一提交报告的研究单位)。Denton教授在1994年ASME专题报告会和1996年ISAIF大会上介绍参算结果时，高度评价了陈乃兴和黄伟光的测算结果，认为陈乃兴和黄伟光用微机(PC 486/90)所获得的结果是非常不容易的。图3给出了1994年ASME大会公布的11个参算单位的测算结果，可以看到，陈乃兴和黄伟光的计算结果令人满意，在这场国际高技术挑战与竞赛中，陈乃兴先生为祖国赢得了荣誉。此外，陈乃兴和黄伟光所提交的数值模拟程序也被认为是世界十大优秀程序之一。

图2 数值计算方法的发展

图3 Rotor 37性能测算结果

4 研究成果的转化及工程应用

陈乃兴先生一直十分重视并极力推广科研成果的转化和工程应用，取得了很大的经济效益和社会效益。以下从4个侧面扼要介绍陈乃兴先生的研究成果在不同领域的推广和应用。

4.1 航空工业领域

陈乃兴先生一直被聘为中国航空发动机顾问组成员，多年来他为中国航空发动机的发展献计献策，贡献力量。

1995—1996年间，沈阳发动机研究所承担国家“863”计划“发动机跨音风扇设计”研究项目。在项目执行期间，该所将陈乃兴先生所发展的三维黏流计算程序作为完成该项目的核心程序，对该风扇进行了设计，使得风扇性能达到了国际先进水平。美国压气机方面的权威专家Wennerstrom在向有关方面咨询沈阳发动机研究所的设计方案与试验测试结果时，高度评价了上述跨音风扇的气动设计工作。此外，该所采用陈乃兴先生的程序完成涡轮性能的计算，也得到了很好的结果。为此，沈阳发动机研究所在2000年5月25日专门出具书面证明，认为陈乃兴先生的这套程序优于当时该所引进的国外程序。

4.2 能源工业领域

陈乃兴先生所领导的课题组参与了北京三维公司的汽轮机设计工作，利用所发展的全三维黏流计算程序完成了高中压典型弯扭叶片的全三维流场计算，数值结果表明：采用弯扭叶片可提高汽轮机级效率2%以上。在此基础上，该公司完成了20台200 MW级汽轮机的改造，取得了十分显著的经济效益。此外，陈乃兴先生还与上海汽轮机有限公司合作完成了“汽轮机叶片全三元气动设计体系开发”项目，并荣获上海市技术振兴一等奖。上述2个项目的研究成果已成功用于54台汽轮机机组的改造，机组运行3年来为国家节省了上亿元的煤耗。

4.3 国防装备领域

陈乃兴先生在国防部第七研究院第三研究所工作期间，负责并参与了实验基地建设，组织和参加了中国第1台舰用汽轮机的设计和第1台舰用燃气轮机的试验研究工作，取得了大量创造性的科研成果。另外，在海军论证部工作期间，陈乃兴先生组织和参与了两种型号舰艇动力装置的技术论证工作，同时作为研制单位参试的总负责人参加了某型驱逐舰高海情适航性试验工作。此外，在多年的工作实践基础上，陈乃兴与李根深、强国芳共同撰写出版了《船用燃气轮机轴流式叶轮机械气动热力学(原理、设计与试验研究)》一书，该书得到了吴仲华教授的高度评价。正是由于其在舰船动力工程方面取得的显著成就，陈乃兴先生于1978年被全国科学大会授予“在我国科学技术中做出了重大贡献的先进工作者”的荣誉称号并获得了奖状。

4.4 国际合作

受Skoda公司委托，陈乃兴先生先后于1997年和1999年对该公司的多组叶片进行了弯扭造型的优化设计。设计中发现：将特殊马刀型叶片应用于透平，能够有效地保证叶片的高效率。此外，陈乃兴先生还与希腊Papailiou教授合作完成了“离心压气机三维黏流计算研究”和“叶轮机械反问题设计”，也得到了对方的高度评价。

5 努力提高中国工程热物理学科的国际地位

陈乃兴先生是国际内流气动热力学会议的主要发起人之一，并曾任三届组委会主席，现该会议已成为两年一次的国际著名系列会议。另外，陈乃兴先生也曾担任欧洲计算流体力学以及Minsk国际传热传质大会等7个国际会议的委员会委员。此外，陈乃兴先生创办了《Journal of Thermal Science》杂志并担任主编，该杂志现已成为SCI和EI检索的重要刊物，成为国际工程热物理学界科学工作者进行学术交流的重要平台。

6 将不确定性理论纳入航空发动机的设计体系

2005年，陈乃兴先生专门与相关学者探讨将不确定性多学科设计优化(Uncertainty-based Multidisciplinary Design Optimization, UMDO)引入航空发动机设计的问题。陈乃兴先生强调说：“航空发动机的设计是一项非常复杂的系统工程[41-42]，在航空发动机的设计与研制中存在着许多不确定性的因素，而常规的航空发动机设计方法与目前国家出版的航空发动机设计手册，基本上都是在多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization，MDO)的框架下进行的。”陈乃兴先生说：“努力把MDO与UMDO两方面的工作做好，应该是大家共同努力奋斗的方向。”遵照先生的教导，经过近15年的不懈努力，一部题为《航空涡扇发动机多目标多学科设计优化方法》的专著终于在2019年3月由机械工业出版社出版发行。这部679页的航空发动机多学科设计优化方法的专著，荣获了2019年国家出版基金的奖励[43]。在这部专著中，除了全面总结吴仲华先生的三元流理论和陈乃兴先生的反问题快速优化设计方法之外，还系统地研究了不确定性优化的理论与方法，并将其纳入航空发动机的设计体系。从这个意义上讲，这部专著填补了中国在这个领域的学术空白。同时，该书也是献给中国工程热物理学界的两位领军人物——吴仲华先生和陈乃兴先生的一部学术专著，是晚辈们在两位恩师的长期教诲与精心指导下所完成的一份圆满的学术答卷。

7 结束语

陈乃兴先生一生热爱祖国、勤奋敬业、严谨求实、鞠躬尽瘁，为工程热物理学科的研究与发展、为提升中国在国际学术界的地位贡献了自己毕生的精力。他的研究成果理论与实践并重，不仅进一步促进了工程热物理学科相关理论的发展，而且还在工程上得到了十分成功的应用，有力地保证了中国武器装备动力系统的研制和性能水平的进一步提升，并得到了国内外著名学者和知名研究机构的一致认可和高度评价。陈乃兴先生为人善良、淳朴谦虚并提携晚辈，是大家永远尊重与爱戴的学术大师和领路人！