纪念文章

吴文权:学习吴先生严谨的科研作风

 

  为了适应现代叶轮机械的发展,流道和叶片形状日益复杂。上世纪60年代初,吴仲华先生提出了采用任意非正交曲线坐标和相应的非正交速度分量(以下简称为“任意曲线坐标系”)来研究叶轮机械内部三元流动的思想,这是一项重大创新。后来由于文革开始,研究被迫中断了。文革中期,吴先生恢复工作,他亲自领导成立了由刘翠娥、朱荣国和我组成的研究小组(图1),在他的基本思想和研究结果的基础上开展了全面研究,包括计算方程、程序编写、数值实验和三元流动迭代等。每个阶段,吴先生都亲自参与并指导。同时,为了培养我们独立科研的能力、发扬学术民主,他要求每个人将自己的研究结果和建议随时成文,一式四份,组内传阅。他身体力行、不断地将研究成果书写成文传给我们,给我们留下了大批最原始的研究成果,是我们学习的最好教材。让我们认识到一项研究成果是怎样一步步耕耘积累完成的,同时也为我们留下了宝贵的研究初稿和手迹。当时没有打字和复印设备,这些材料完全靠手写和复印纸复写。我将这些视作最宝贵的财富至今始终保留着,作为我们和后辈学生学习前辈科学家严谨踏实科研作风的榜样案例。 

  当时,科研工作中遇到的最大问题是采用任意曲线坐标系带来的坐标张量的数值计算问题。因为坐标曲线长度与坐标值无关、坐标间夹角的任意变化,任意非正交速度分量与叶轮机械习惯的速度分量间的转换等问题都需要进行研究。为此,我们请教了数学家冯康先生、吴文俊先生等,他们告诉我们工程技术中的数学问题数学家不熟悉,需要我们自行研究。吴先生本人也坦率地告诉我们他自己也在学习摸索。他要求我们独立学习、自己找参考书,有心得后在组内交流,培养老老实实的科研态度。最后,我们通过各种数值实验,取得了完满的结果,应用在编制的程序中,完成了三元流动流面迭代的全部计算。这套方法后来又被推广应用到固体力学数值仿真中。在吴先生领导下,研究小组学术气氛良好,每次开会不只是简单地向吴先生汇报,吴先生自己也参与的平等讨论。集思广益,只要大家都认同是好的建议就会被采纳,例如:提出的S1流面流函数计算方程被吴先生采纳,并在他发表的论文中专门指出是某位同仁提出的;S2流面计算中采用超松弛方法;S1流面计算采用矩阵直接分解方法等。他让大家各自将研究成果发表论文,却从不署名自己。在这种学术气氛下,各人发挥特长,努力工作,形成了一个很好的科研团队。我仅举一位同仁为例:刘翠娥,一名比我们年长的女数学家,她的丈夫关肇直先生是一位大数学家、我国系统科学的元老。刘翠娥从不以名人的夫人自居,整天安静地坐在办公桌前,踏踏实实地从事自己的科研工作。当时科学院没有合适的计算机,我们只能使用北大的计算机,那里机时繁忙,每周只能安排两次上机,并且经常被排在半夜。刘翠娥不会骑车,由关先生步行接送上机,就在这样的条件下努力工作。我很怀念那个团队,希望吴先生树立的团队精神永远传承下去。吴先生严谨地提出:1952年提出的叶轮机械三元流动流面迭代仅是一个模型,因为当时计算条件的限制没有完成两族流面的全部计算,取得迭代收敛结果。而在国内用我们自己研制的全套任意曲线坐标系计算机程序,在我国自己的计算机上完成了三元流动流面迭代的全部计算,取得了收敛结果。吴先生称,至此叶轮机械三元流动流面理论才可以说真正确立了。 

  文革以后,1979年,吴先生在北京装甲车研究所举办了全国第二次叶轮机械三元流动讲习班,参加的有全国各高校、研究所和工厂的近百位高级科研人员,例如哈工大的王仲奇院士。吴先生亲自讲习采用任意曲线坐标系的叶轮机械三元流动理论,包括计算方法等全部研究成果。应大家的要求,吴先生完全免费地向大家提供了全套的计算机源程序,无私地公开了我们长期辛勤劳动的研究成果。王仲奇院士评价,这是叶轮机械三元流动理论发展的第二个里程碑。 

  国际吸气式发动机学会(ISABE)筹备第三届学术会议时,专门赴我国驻英国大使馆正式邀请吴先生出席会议,邀请函传到国内,引起了国家的高度重视。1976年,吴先生应邀出席会议。这是吴先生自1954年回国以后第一次回到国际学术舞台,在会上宣读了回国以后完成的任意曲线坐标系叶轮机械三元流动理论。会议总结中,大会主席大段评论了吴先生的报告,认为这是这次会议的亮点(high light, 并认为这是叶轮机械三元流动理论创始者才能作出的巨大贡献。由于在任意曲线坐标系下可以根据需要任意划分计算网格,国际有限元方法创始人之一O.C.Zienkiewicz评论道:由于任意曲线坐标系的引入,架起了有限元方法和差分法之间的桥梁。 1979年,在美国举行的第四届ISABE学术会议上,吴先生进一步宣读了基于任意曲线坐标系叶轮机械三元流动理论的全套设计方法,计算机程序及三元流动的迭代收敛结果,证明了S1S2两类流面理论。该论文被收录在美国航空与宇航学会(AIAA)的飞机学报(J. AIRCRAFT),美国空军的发动机主要设计师看到论文后,马上提出来华访问吴先生、进行专门考察的要求。 

  英国帝国理工学院湍流专家Spalding教授创办了一个CHAM软件公司,开发了一个当时国际主要的动量和热量交换的计算机软件。Spalding主动向吴先生提出进行合作,希望将吴先生这套程序合作进入他们的商业软件,该项目通过了英国剑桥大学第三方的评定。后由于我国刚开放,无法满足一个商业程序市场运行的要求,如大量的广告费,派人驻外开展技术支持服务等,最后合作无法长期有效地继续进行。当时吴先生非常注重对外保护知识产权,严格规定不能提供完整的研究成果,例如不能提供源程序,只能提供二进制的编译程序。相比之下,吴先生在国内则是完全无偿地提供全套源程序,并亲自讲解研究成果。这应证了吴先生的座右铭:中国人创立的理论首先要为中国服务。 

  吴先生不仅重视理论研究,更重视叶轮机械的实验研究。当时,所内理论研究小组包括他在内只有四人,其余大部分人从事实验研究。我们小组最希望有一台计算机进行数值计算来验证理论成果,他没有同意购置。但在上世纪七十年代末,全所人员集中精力,从自己挖地基开始,花了二百万元建成了国际先进的可控硅供电3000KW单双级跨声速压气机实验台(图3)。国际同行参观后一致公认这是完全达到国际先进水平的实验台,并估价至少值二千万。在所内他还领导建成了超音速叶栅风洞,旋转叶栅等配套实验设备,使得实验研究蓬勃开展。 

  吴先生告诫我们:不懂得叶轮机械的设计是无法搞好三元流动理论研究的,而叶轮机械三元流动理论是为叶轮机械设计服务的,三元流动理论由浅入深的应用是与叶轮机械性能的发展与时俱进的,二者相辅相成。所以,吴先生规定副研究员以上必须参加叶轮机械改型设计的任务,比如我们后期很多同事都参与了Spay发动机风扇切顶、增加零级压气机的工程性很强的课题。 

  吴先生一贯重视对科研人员的培养,特别是对年轻人的培养。回国后在清华创建了国内第一个燃气轮机专业,我们是第一届。培养目标是研究工程师,要求我们在国内开发燃气轮机。他制订的培养计划是严格要求、加强基础。例如数学从原两年的课程延长到三年,除了工程热力学、流体力学、传热学、燃烧学四门专业基础课以外,增设了弹性力学、振动理论、调节控制等。每门课的授课老师都尽可能挑选最好的老师。流体力学课由他亲自授课,并邀请了力学所的林同骥先生、潘良儒先生、北大的孙天风先生在个别领域进行专门授课。吴先生在讲授流体力学时十分严格,以MIT的经典著作作为我们的参考书,并亲自编写讲义,用他独特的方式推导流体力学基本方程,强化物理概念的理解。后来我给学生和工厂科技人员讲课中都继承了这个方式,反响很好。吴先生讲完基本方程后给我们出的第一道习题是当时他考研究生的考题:一根弯管当阀门突然打开时的非定常流动。他认为,如果真正理解了基本方程就应该有能力解答该题。流体力学考试的考题又多又难,没有一个同学能按时交卷,一直拖到天黑教室内已看不清试题为止。这样严格的训练,使我在日后工作中受益非浅。 

  吴先生主持科学院动力室时,将新分配来的大学生中符合出国学习条件的全部送往苏联、德国、捷克学习,这些人员回国后都成为了业务骨干。动力室与力学所合并后,力学所怀柔火箭基地中大部分的业务骨干都来自动力室,包括其后担任中国空间技术研究院院长的闵桂荣院士。吴先生注重队伍建设中科研人员的配套,动力室办了两期高中毕业生补习班,从空军中招收了一批退伍地勤人员,这些人后来都成为实验室的骨干。同时还成立了工种齐全的附属实验工厂,工人被送往沈阳发动机厂培训。在工程热物理所时,他从联合国发展总署(UNDP)申请到科研经费,支助了助研以上二十八人次到德、英、美、日各考察二个月,又派年轻人员到德国和英国长期学习。 

  吴先生作为所长,并不局限于发展叶轮机械,他还大力支持有益于两机(航空发动机和燃气轮机)、能源利用的科研项目,例如煤清洁利用的循环流化床项目,取得很多好成果。传热、燃烧也是所内的研究重点。他还为华国锋主席、中央书记处讲解能源的合理利用对我国的能源政策提出建议。 

  吴先生继承了我国尊老爱幼的优良传统。对他的老师刘仙洲先生、倪济慈先生、庄前顶先生等十分尊重。常给我们讲传统,如介绍西安交大的陈大燮先生是我国热工界的前辈,梁守槃先生早期的著作“燃气轮机”等。每次开会,必先对老先生们作好安排,从不以职位高低定位。每次工程热物理学术会议,吴先生都亲自审订学术报告的程序,为了充分交流和提高会议效率,从不在学术报告时间安排其他会议,甚至都取消开幕式和闭幕式。会议期间,他和梁守槃先生一直坐在会议室聆听年轻人的论文报告,并从中选拔优秀论文,在工程热物理学报上发表。他发掘人才、从没有门户之见,如北航高歌老师的第一篇弯月型火焰稳定器的论文就是在工程热物理学报上发表的,吴先生亲自主持了高歌的硕士论文答辩,给予了肯定,并建议他继续博士学习。为此高歌十分感激,他的博士论文答辩一定要等吴先生出国回来主持。 

   吴先生一向实事求是,尊重科学。作为工程热物理学报主编,他曾亲自审定了一位作者的论文,后来论文另一位作者提出该论文中方程有误。吴先生并没有以权威压制学术民主,而是亲自组织这两位作者沟通,通过讨论统一认识后,第二位作者的指正论文在工程热物理学报上发表,明确提出了前篇论文中有误,避免了以误传误。在文末,特别指出此文发表前曾与前文作者进行了讨论。这件事告诉我们如何正确地发扬学术民主,给我们树立了实事求是的榜样。 

  吴先生离开我们快二十五年了,他是我国老一辈杰出科学家中的一员,他们的优良传统是留给后人的宝贵财富。上个月,我对我的硕士博士学生们作了一次关于吴先生的专题报告,他们听了都十分感动,其中一位新疆维族女博士复制了我的ppt,表示要回去给她的学生讲解。虽然没有机会直接听取吴先生的教诲,但是我相信他们会继承吴先生的精神,并教导他们的学生、代代相传。现在国家十分重视两机工程,制订了正确的政策,我相信工程热物理所必将在这大好形势下,做出辉煌成绩,为摔掉我国两机落后的帽子做出贡献。 

    

作者简介:吴文权,19376月生,教授,系吴仲华先生在清华大学创立的燃气轮机专业的首届学生,毕业后先后在中国科学院动力研究室、力学所、工程热物理所工作,担任吴仲华教授的助手。19898月调入上海理工大学,主要从事叶轮机械三元流动、涡轮力学等研究,曾获国家自然科学二等奖、国家级“突出贡献专家”等多种荣誉称号,在国内外发表论文70余篇。其一直追随吴仲华先生求学、求教40余年。 

    

 
 
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