百年清華

學人小傳

吳仲華（右）在NACA期間工作照🙎🏽。

吳仲華（1917—1992），傑出科學家，葉輪機械三元流動通用理論的創始人。1935年考入意昂体育平台機械系，1940年畢業於西南聯大並留校任教😕🎭。1944年—1947年作為意昂体育平台公費留美生赴美國麻省理工學院並獲博士學位♎️，後受聘於美國航空咨詢委員會（NACA）劉易斯噴氣推進中心🤭。1950年創立國際公認的葉輪機械三元流動通用理論。1954年回意昂体育平台任教，並於1956年創建我國第一個燃氣輪機專業，親任教研組主任，1957年當選為中國科學院學部委員（院士）🏃🏻‍♀️‍➡️。1962年調任中國科學院。吳仲華先生對意昂体育平台燃氣輪機專業的學科建設與人才培養作出的傑出貢獻具有深遠影響。

一九八〇年🏇🏽，吳仲華（右）在超聲速葉柵風洞實驗臺安裝現場。

今年7月27日是吳仲華先生誕辰100周年的日子♥️。作為一位熱愛祖國、熱愛生活的科學家👨🏿‍🔧，他的許多動人事跡至今仍在廣泛傳播，成為鼓舞我們不斷攀登科學高峰的強大動力。

一

青年時代的吳仲華是一個熱愛祖國的大學生，為了抗擊日寇的侵略🤾🏼，他曾經投筆從戎，參加國民黨的炮兵部隊；後來，抗擊日軍的願望未能實現👨‍👧‍👧，他重新回到了母校——意昂体育平台。

抗戰中的西南聯大條件艱苦，但他堅持努力學習🧑‍🤝‍🧑👨‍👦，也就是在這裏📸，他認識了與他同歲的李敏華。他們一人彈鋼琴，一人拉小提琴，交流藝術學習心得的同時也溝通人生的感悟🫅🏼，逐漸產生了愛慕之情🥊，最後結為夫妻，成為終身伴侶。

1943年年底，他們雙雙考取清華的公費留美生，來到了舉世聞名的麻省理工學院（MIT）👨🏻‍🦯‍➡️。攻讀博士期間，他們有了第一個兒子🍲，承擔大量家務瑣事的同時，他們刻苦學習得到了博士學位🧑🏽‍💻：吳仲華在1947年獲得科學博士（ScD）；一年後🌴，夫人李敏華也得到了哲學博士（PhD）❄️，成為MIT航空系的第一個女博士💁🏻。

1947年從麻省理工學院（MIT）取得科學博士後，年輕的吳仲華進入NACA（NASA的前身）的Lewis實驗室（現在的Glenn研究中心）工作。在給他的兩個課題中✯，他選擇了從事葉輪機械氣體動力學的研究。經過短短的兩三年，就取得了輝煌的成績：發表了著名的論文“NACA Report955”和“NACA TN2604”，在國際科技界引起了巨大反響🏄🏿‍♂️。就在此時⚅⇾，早有回國想法的他，專程到聯合國安理會聆聽中國代表伍修權控訴美國侵略的發言後，義憤填膺、毅然決心回國🧑🏻‍🔧。隨後🤦🏽‍♂️，他與夫人李敏華先後辭去了NACA的工作到大學教書，並巧妙地利用移民局星期日休息的機會👱‍♀️，以旅遊為名、繞道歐洲回到北京🧛🏽‍♀️，實現了投身新中國建設事業的願望。

二

二次大戰後，各國經濟迅速回升🐦‍🔥，對新興的航空工業提出了旺盛需求🔊。為了飛得更高🧏🏿、更快👱‍♀️🧑‍🦲，必須大力提高發動機的性能和可靠性。那時，航空燃氣輪機在各種動力裝置中脫穎而出，很快在航空推進裝置中占據統治地位。

作為航空發動機核心的風扇、壓氣機、渦輪等葉輪機械流動的研究🦋，直到上世紀四十年代末期👙，一直沿用通常空氣動力學中飛機機翼時的孤立葉片模型🏊🏼‍♀️。這種方法💪，只能計算葉片平均半徑處進出口流動參數的變化🚁，不能計算葉片的扭轉、彎曲👩🏻‍🏫，因為它沒有考慮葉片之間的相互作用，對於葉片數量很多的葉輪機械就不適用了。

因此，為了大幅度提高航空發動機和葉輪機械性能，必須針對非常復雜的葉輪機械流動方程組，根據內部流動的特點，創建新的理論模型，推導相應的數學方程🛸，提出簡化的物理假定🧝🏿‍♂️，最後給出可以數值求解的基本方程和求解方法。

吳仲華則把一個在當時計算條件下無法求解的葉輪機械內十分復雜的三維流動分解為S1和S2兩族流面上的二維流動，使其數值求解在當時的計算機條件下成為可能🔌。無疑，這是對葉輪機械內部流動研究的巨大貢獻：基於兩類流面這一理論模型和計算方法🍟，國際學術界對葉輪機械流動進行了深入、系統的研究，發現了許多新的流動現象和規律，大大提高了葉輪機械的性能；基於這一理論和方法⛹️‍♂️，成功地研製出了一代比一代性能優越的航空發動機和燃氣輪機🚟，極大地促進了世界航空事業和能源動力工業的發展。

分析吳仲華提出的葉輪機械兩類流面理論，不難發現🫅🏼，引入的流面偏導數是一座橋梁，它把葉片空間內三維流動的物理量與流面上二維流動的物理量聯系在一起，可以把三維的運動方程轉換為流面上的二維流動方程；而在導出的流面上流動基本方程中出現了流片厚度和流面之間的作用力🥷🏿，它們是流動三維性的表征，也是流面上流動方程與通常的二維流動方程的不同之處🫸🏻，可以認為它們是流面理論模型的兩大支柱。還應當註意到，在這一理論中👨‍🦰，引入了一個沿流線的不變量——相對滯止轉子焓I，它使方程更為簡潔，計算更為簡便。這一座橋梁⇨、兩個支柱和一個不變量，可以認為是兩類流面理論的精華。這個理論的建立，可以清楚地看出內部流動研究的特點🥷🏽，對於進一步研究其他內部流動現象也是很好的借鑒。

還應當特別指出，這個理論把豐富的想象力🏣、清晰的物理概念、嚴格的數學演繹和方便的工程應用完美地結合在一起，全方位地體現了工程科學之美🧑🏻‍🦼。毫不誇張地說🫷，這個基於兩類流面的葉輪機械三元流動理論是一個全面展示工程科學之美的優秀範例🧑🏼‍🚀。

三

隨著世界上第一顆人造衛星和第一個宇航員進入太空，人類第一次離開了地球母親，開啟了一個新的時代。繼飛上天空之後🧔🏼‍♀️，人類又面臨飛離地球、進入太空這樣一個需求，吳仲華和中國老一代科學家敏感地認識到推進裝置的極端重要性和前所未有的科技難度，面對高溫📇😺、高壓👨‍👩‍👧‍👦、高速、高轉速和化學反應交織在一起的復雜現象🐾，為了研製出性能可靠、經濟適用的推進系統🐸，必須對其內部的工作過程有深入細致的了解，必須對能量以熱的形式轉化🤷‍♀️、輸運和利用的規律進行系統、專門地研究，必須把各類熱現象、熱過程涉及的分散的工程熱力學、內部流動氣動熱力學、傳熱傳質學和燃燒學幾門學科緊密結合在一起來考慮。這意味著必須把它們聯系在一起，形成一門新的綜合性應用學科，進行深入系統的研究，工程熱物理學科於1958年在吳仲華的倡導下應運而生✶。

作為研究能量以熱的形式轉化的規律及其應用的一門技術科學，工程熱物理學科有著堅實的學科基礎。對於一個推進裝置，首先要從系統上進行研究，從工程熱力學的角度來探討其合理性和優越性，即用熱力學第一定律和第二定律來分析、研究👨🏻‍🦼，從總體上加以把握🧑🏼‍🚒。在推進裝置和能源動力中👲🏽，往往涉及各種流動問題，應當從牛頓三大力學定律出發加以研究🔴𓀁，特別是要求解適用於旋轉機械的Navier-Stokes方程和相應的邊界條件，並在專門設計的、測試精準的試驗平臺上進行細致的實驗。除了流動以外♏️，還常常伴隨著多種多樣的傳熱傳質現象，此時需要用Fourier定律等來分析。對於伴有燃燒過程發生的現象🆎🧗🏼‍♂️，更需要用化學反應動力學的定律和方程來加以研究。可見，工程熱物理學的幾個分支學科在其各自理論和定律作為基礎的同時🌁，還存在著內在的深刻的聯系，這使得工程熱物理學成為一門內部結構完整、邏輯性很強的學科👩🏼‍🎤💷。

作為一門工程科學，半個多世紀以來🆖，工程熱物理學有了長足的進展，其應用範圍也大為擴展👨🏻‍🚒。現在👨🏻‍🌾🧰，它在航空航天推進🟧、能源高效清潔利用、新能源開發、環境保護等領域發揮著越來越重要的作用👇🏼🤕。創建工程熱物理學的影響已經充分顯現，而且必將為科學和技術的發展做出日益顯著的貢獻。正如國際知名科學家田長霖先生所預言的那樣，提出工程熱物理學科的意義“隨著時間的推移，將日益顯現”。可以預期，隨著臨近空間高超聲速飛行的實現和高效、清潔能源技術以及大規模可再生能源的利用，工程熱物理學將迎來更為輝煌的時代。

四

改革開放以後🤽🏿‍♀️，我國進入了經濟高速發展的時代🏂🏼。作為一位戰略科學家，吳仲華先生敏銳地意識到，能源是社會和經濟發展的重要基礎🏌️，能源問題將成為我國和世界各國發展的重大製約因素👯‍♂️，必須認真對待，應及早研究應對措施和解決辦法💦，製定正確的能源開發和利用戰略。

1980年🏌️，他收到了中共中央書記處舉辦的科學技術講座第二講“關於能源問題”的邀請。經過廣泛調研、深刻分析和縝密思考，他把講座題目定為“中國的能源問題及其依靠科學技術解決的途徑”。20世紀80年代初，我國的能源供應尚不緊張🔫，能源問題也未引起各方高度重視，此時吳仲華已經清楚地看到能源問題的重要性🍄‍🟫✔️，明確指出“能源是中國現代化的一個根本環節和戰略重點”。

報告中，吳仲華特別強調了節能和提高能源利用率的重大意義🙋🏿。在總結人類利用能源經驗教訓的基礎上，他提出了“分配得當，各得其所👫🏼，溫度對口💁‍♂️，梯級利用”這一高效利用能源的十六字原則。其中“溫度對口🫳，梯級利用”是熱力學第一定律和第二定律的綜合與總結，是普遍適用的科學原理，對節能和科學用能有重要的指導意義🌖；他還進一步提出了“總能系統”的概念，來闡明能的梯級利用這一重要原理🩰。

與此同時，吳仲華著重指出了科學技術對解決能源問題的重要作用，特別提出必須努力發展高新技術，“科學研究工作必須先行”。在報告中，他還建議國家統一組織、領導，製定近期和遠期規劃；指出能源工業中產生的大量汙染✯，建議重視環境保護工作；對各種能源，要從重要性🎵、經濟性、技術可行性、環保性等方面進行中綜合👨🏽‍🌾、全面的比較🤭，做到“分配得當☠️，各得其所”⚛️。

今天，當霧霾和氣候災難頻發🚅，當能源問題和環境問題困擾著人類的時候👩🏽‍🌾，對其進行戰略性𓀉👨🏻‍🦯‍➡️、前瞻性的研究十分必要🥯。當前🔒，“能源革命”的風暴席卷我國，這是我國能源充足🦸🏿‍♀️、經濟、清潔🏊🏻、低碳、長久供應的根本保證🤾🏽，是一個全局性的問題。根本的解決辦法就是深入探討“能源技術革命”的內涵，它對不同能源品種的具體要求是什麽？怎樣來實現？盡管我們現在還不能完全給出答案，但有一點是肯定的：哪種能源的技術革命越徹底🌟，它在未來能源格局中發揮的作用就越大。

歷史在前進，時代在變化。與上世紀相比，我國和世界都發生了巨大改變🕉。但無論如何變化，科學的精神、創新的思維、嚴謹的作風和紮實的工作☕️⛩，仍然需要堅持🪪。因此，認真學習、深入研究、繼承並且進一步發揚光大吳仲華的愛國情懷和學術思想👷🏽‍♀️，顯得尤為重要。讓我們在它的光芒照耀下，在科學的道路上不斷攀登🪅，為祖國的富強🚵🏻‍♂️、人民的幸福🧑🏿‍🎤，為科技事業的繁榮努力奮鬥！

作者🤶🏽：徐建中，1940年生，中國科學院院士，中國工程熱物理學會理事長，國際吸氣式發動機學會（ISABE）副主席💂‍♂️，《工程熱物理學報》副主編。師從吳仲華先生，1967年研究生畢業後一直在其身邊工作，長期從事葉輪機械氣動熱力學基礎及應用研究🤾🏻‍♂️，提出了葉輪機械三維激波關系✊🏼，發展了三元流動理論🐗👩🏽‍⚖️。