《中国机械工程》弘扬科学家精神专题宣传：吴仲华

吴仲华：我国燃气轮机发展的领路人

吴仲华（1917—1992），工程热物理学家，中国科学院院士。专注于燃气轮机研究发展，创立叶轮机械三元流动理论，即“吴氏通用理论”，创立工程热物理学科，创立国内首个燃气轮机专业，提出总能系统理论，尤其是“温度对口、梯级利用”的原理在国家能源战略的研究与规划中发挥了重要作用。1956年获国家自然科学奖二等奖。

在创立叶轮机械三元流动理论时，吴仲华摒弃了当时普遍沿用的飞机独立叶片模型，并凭借丰富的想象力，将逻辑缜密的工程热物理学知识同严格的数学方法巧妙结合起来，使工程科学之美在科研过程中体现得淋漓尽致。在建设祖国的道路上，吴仲华从来没有停下过探索与创新的脚步。在他的理论与思想的指导下，一代又一代性能先进的航空发动机和燃气轮机应运而生，同时也对航空业的发展产生了深远影响。

舍旧创新，做叶轮机械先锋

第二次世界大战后，世界范围内经济开始崛起，航空业逐渐兴起，各国都开始意识到航空业的发展对本国综合实力提升的重要性，航空业的需求与日俱增，改善和提高发动机的性能逐渐成为发展航空业首要解决的问题。虽然各国纷纷投入重金、聘请专业人士积极展开此项技术的研究与突破，但都没有取得实质性的进展。就在各研究所、实验室都一筹莫展时，谁也不曾想到，一位来自东方的中国人以其独特的分析视角改变了此种困境，这个人就是我国著名的工程热物理学家、中国科学院院士——吴仲华先生。

为了改善和提高航空发动机的性能，当时摆在吴仲华面前的首要任务便是航空发动机的内部核心零件研究，即叶轮机械内部流动研究。在这之前，国际上对于航空发动机核心部件的内部流动研究，如风扇、压气机、涡轮等，始终采用的是飞机机翼的独立叶片模型，但该算法并未考虑叶片之间的相互作用，只能粗略计算叶片进出口参数变化，拥有多个叶片的叶轮机械便不适用此种方法。所以，想要提高和改善航空发动机的性能，就要对复杂的叶轮机械方程组构建新的模型，考虑叶片间的相互作用，舍弃原有的独立叶片模型，以此获得相应的方程和求解算法，这是吴仲华在叶轮机械研究中勇敢迈出的创新第一步，也直接从根本上影响了随后几十年航空发动机和叶轮机械的发展路径。

由于新的叶轮机械流动方程组求解难度很大，未知量较多，无法根据有限的已知量利用解析求解法进行推算，接下来应该怎么办呢？吴仲华放弃了被业内推崇的解析求解方法，而是选择使用将数值直接带入计算过程中的数值求解方法进行求解，并利用计算机的帮助来完成该计算过程。考虑到多个非定常因素的影响，就算利用计算机的帮助，数值求解的实现过程也存在一定困难。在能够保持一定求解精度的前提下，充分理解叶轮机械流动特点并构建简化的模型，成为摆在吴仲华面前又一亟须解决的问题。为此，他选择兼顾流动的三维性和黏性、假设定常流动来简化模型，并进一步把复杂的三维流场简化为无数条流线和对应流面，即把三维方程转化为二维方程来实现有效降维，极大简化了原有的复杂求解过程。该思路推陈出新，打破了原有特定的求解思路。最终的简化方程使得整个求解过程可以运用当时的计算机能力来实现，叶轮机械三维流动理论也于1952年被正式提出。 

出于对航空发动机性能发展的考虑，吴仲华在1963年提出了基于任意非正交曲线坐标非正交速度分量的叶轮机械热力学方程，有效解决了因叶片日渐复杂而阻碍性能提高的问题；1965年，他又提出了更符合实际情况的黏性气体叶轮机械三元流动方程。至此，叶轮机械三元流动理论已相对完善和成熟，运用范围更广，适用性更强，在使用过程中能够避免因叶轮机械内部差异化而不适用的情况。

吴仲华在创建叶轮机械三元流动理论的过程中，勇于创新，巧妙地把物理学知识同数学方法完美地结合，逐渐改善和提高了叶轮机械在使用过程中的性能。该理论的出现，成功促使了一代又一代性能先进的航空发动机和燃气轮机的产生，对于航空业的发展产生了深远影响。时至今日，叶轮机械三元流动理论仍被广泛应用于各国航空发动机行业。

执着探索，推动我国燃气轮机事业的发展

基于叶轮机械三元流动理论和我国能源事业发展的基础，吴仲华也 格外重视燃气轮机的应用和发展。对燃气轮机的重视，不单是因为他创建的叶轮机械理论是燃气轮机应用和发展的基础，更是因为燃气轮机能够在国防发展和能源战略中发挥不可替代的作用。吴仲华创立叶轮机械理论的初衷就是希望能够为国家多做贡献，他认为燃气轮机是国家科技水平的综合体现，同国家的社会与经济发展密切相关，更是实现强国强军的核心技术。 

我国燃气轮机事业的发展最早应源于吴仲华所创办的燃气轮机专业。冲破重重阻挠、毅然回国的吴仲华，考虑到当时中国的综合国力，认为现阶段发展我国的航空业尤为重要。因此，吴仲华于1956 年在清华大学成立国内首个燃气轮机专业。实践证明，吴仲华当初成立该专业的选择是正确的，其教研室为国家输送了一批又一批燃气轮机的专业技术人员，奠定了我国燃气轮机专业发展的基础，为我国燃气轮机事业做出了巨大贡献。

随着燃气轮机等热机的发展与相关研究的深入，20世纪60年代初，吴仲华提出创立工程热物理学科的倡议，并得到广泛赞同。在他的推动下，中国科学院于1980年成立工程热物理研究所（前身为1956 年清华大学与中国科学院合办的动力研究室），研究方向定为以航空、舰艇和工业用燃气轮机的热物理基本研究为主。他领导的研究所培养出大批一流的科研人才，形成了国际一流科研团队，成为国内外高知名度的研究单位。 

1978年，吴仲华还创建了中国工程热物理学会，任首任理事长。在他和前辈们的领导下，学会发展迅速、越办越好，业已成为国际知 名学术组织。1980年，吴仲华创办了《工程热物理学报》（任首任主编），成为公认的动力工程和工程热物理学科权威期刊。 

吴仲华为了我国燃气轮机事业能够顺利发展，始终默默地坚持在科研一线，领导并参与了多个航空发动机科研项目。1963年，为了全面开展“歼八”发动机的改型研究，他领导并联合多个航空部门研究室和有关研究所进行该项目的研究。为了更好地达到设计要求和使用效果，他到一线航空发动机研究所了解情况，并实地指导航空发动机所的具体设计方案和试验试制，此外，他还把自己基于叶轮机械三元流动理论所编制的计算机程序无偿捐献给基层工作人员，以便研究所更好地培养人才。1982年，他领导舰用斯贝燃气轮机的改型，并顺利完成“切顶”和“切顶加零级”的改型研制；1985年，他提出13 000马力斯贝航空发动机改型的研究，并在试验中达到设计要求，因此获得了中国科学院科学技术进步奖一等奖，更是专家们所公认的斯贝发动机舰用的又一突破性技术。经他指导，随后又设计出了性能稳定的15 000 马力舰用燃气轮机，并且试验性能结果大大超出预期。如果说创立叶轮机械三元流动理论是吴仲华的初心，那么发展祖国的燃气轮机事业便是他的一生所向。这位祖国燃气轮机发展的领路人在用他的毕生所学向科研致敬，他在航空、能源、燃气轮机领域的创新成就亦是工程热物理学界一束永不消逝的星光。

高瞻远瞩，开创能源发展新篇章

随着改革开放的到来，全国各地都在如火如荼地搞经济建设和发展。那时的人们还不足以认识到能源规划对于一个国家发展的重要性，能源在使用过程中所产生的问题也还没有如今天这般彻底地显现。吴仲华倾注了许多精力，认真研读了国内外文献，并与同事多次展开激烈讨论，结合我国实际的发展现状，在进行谨慎细致的思考和分析后，基于总能思想提出了我国的能源使用规划，并于1980年在中央举办的科学技术讲座中做了汇报。他认为，能源的使用首先要根据能源的不同类型、自身特点进行合理的分配，做到因地制宜、发挥所长；其次应将煤炭资源提升到战略使用地位，兴建水电站、核电站，着重发展新能源。此外，能源的使用与发展同环境密切相关，极易造成环境的污染和破坏，应重视环境的保护。 

为发展联合循环、水电并供等总能系统，1982年，吴仲华倡导在总 能系统中融入燃气轮机的使用，从此发展燃气轮机上升到系统使用地位。吴仲华带领团队利用现有条件和斯贝航空发动机技术，进行国内首台燃气联合循环发电装置的研发与试制。在吴仲华和科研组同志10多年的努力攻关下，项目取得了很多突破性的阶段成果，包括能够航机陆用的地面燃气发生器、联合循环供电系统等。 

基于总能系统，吴仲华还希望可以研制出联合循环的洁煤燃煤技术，为我国能源的节能使用做出技术贡献。1990年，他到世界各国进行洁煤技术调研，回国后与助手进行该技术的深入研究，到能源部介绍国内外该技术的进展及我国的具体可行方案，并向国家提交了尽快建造燃煤发电厂的可行性报告。

吴仲华以其独特的科学视角，结合我国实际的发展现状，在一系列细致的调研基础上，基于“温度对口、梯级利用”的总能思想提出了我国能源使用与发展的战略构思，开创我国能源发展生产与科研相结合的新局面。其对我国能源技术和社会经济进步的发展影响之深、之远，直至今天，在我国的一些能源规划和技术发展领域中，仍可以看见吴仲华那些前沿学术思想的影子。

（来源：科学家精神丛书编写组.科学家精神 创新篇[M].北京：科学技术文献出版社，2020.）