編者按
發(fā)動(dòng)機(jī)是交通、能源等關(guān)鍵領(lǐng)域的核心設(shè)備，是衡量國(guó)家綜合國(guó)力和科技實(shí)力的關(guān)鍵指標(biāo)。面對(duì)先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)研制的一系列核心技術(shù)難題，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)于2014年啟動(dòng)國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃“面向發(fā)動(dòng)機(jī)的湍流燃燒基礎(chǔ)研究”，組織我國(guó)科研工作者開(kāi)展了一系列創(chuàng)新性研究，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)自主研發(fā)提供了強(qiáng)有力的科技支撐。
具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與評(píng)估軟件?？蒲袌F(tuán)隊(duì)供圖
■本報(bào)記者 甘曉
湍流和燃燒是我們?cè)谌粘Ｉ钪谐Ｒ?jiàn)的現(xiàn)象，在科學(xué)領(lǐng)域卻是名副其實(shí)的世界難題。這些未解的科學(xué)難題制約了發(fā)動(dòng)機(jī)性能的進(jìn)一步提升。
“關(guān)鍵核心技術(shù)是要不來(lái)、買不來(lái)、討不來(lái)的?！卑l(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為“工業(yè)皇冠上的明珠”，基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題則好比鑲嵌在這顆“明珠”中的“寶石”。面向國(guó)家對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的重大需求，中國(guó)科學(xué)家回到基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題中，尋找自主創(chuàng)新的突破方向。
自2014年底以來(lái)，在國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃“面向發(fā)動(dòng)機(jī)的湍流燃燒基礎(chǔ)研究”（以下簡(jiǎn)稱重大研究計(jì)劃）的支持下，我國(guó)科研工作者聚焦發(fā)動(dòng)機(jī)湍流燃燒的基礎(chǔ)性難題，為發(fā)動(dòng)機(jī)可控燃燒技術(shù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
2025年初，重大研究計(jì)劃完成結(jié)束評(píng)估。重大研究計(jì)劃指導(dǎo)專家組成員、清華大學(xué)教授姚強(qiáng)告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：“10年來(lái)，我國(guó)科學(xué)家圍繞燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和湍流燃燒學(xué)開(kāi)展攻關(guān)，在理論和方法的源頭創(chuàng)新上取得了重要突破?！?span style="display:none">a8R即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
在專家們看來(lái)，這些基礎(chǔ)科學(xué)方面的突破，有望推動(dòng)形成先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研制的“中國(guó)方案”。
攀登新的學(xué)術(shù)高峰
發(fā)動(dòng)機(jī)是交通、能源等領(lǐng)域的核心設(shè)備，其研制技術(shù)難度極大。從原理上看，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行始于燃燒，燃燒把燃料與氧化劑反應(yīng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能，熱能又以膨脹的形式作用于活塞、渦輪等運(yùn)動(dòng)部件，從而轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。因此，作為發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的基本條件，燃燒的關(guān)鍵作用不言而喻。
據(jù)了解，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)而言，燃燒還需具備一些特殊條件。發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒要在體積有限的燃燒室內(nèi)進(jìn)行,而要在如此小的空間內(nèi)和極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生巨大的熱量，就需要向燃燒室內(nèi)吹入大量空氣。
這些高速進(jìn)入燃燒室的空氣具有典型的強(qiáng)湍流流動(dòng)特征。與平滑、有序流動(dòng)的“層流”不同，湍流中的流體不沿著固定路徑移動(dòng)，而是形成各種大小不同的旋渦結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)不斷分裂、合并，使得流體內(nèi)部發(fā)生強(qiáng)烈的動(dòng)量、熱量及物質(zhì)交換。
在“湍流”的幫助下，燃燒室中的燃料和氧化劑充分混合，確保燃料和氧氣之間接觸面積最大化，化學(xué)反應(yīng)盡可能充分，從而提高燃燒效率。
我國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)專家認(rèn)為，這個(gè)過(guò)程的核心基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題背后便是湍流和化學(xué)反應(yīng)的耦合機(jī)理。而由于對(duì)湍流和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)這兩個(gè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題都缺乏深入、系統(tǒng)的研究，該領(lǐng)域的發(fā)展受到了限制。
2005年前后，我國(guó)知名空氣動(dòng)力學(xué)專家、中國(guó)工程院院士樂(lè)嘉陵帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了一系列發(fā)動(dòng)機(jī)研制的實(shí)驗(yàn)。他們?cè)氏葒L試用數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)時(shí)，數(shù)值計(jì)算發(fā)展方興未艾，處于科學(xué)前沿，是較為先進(jìn)的方法。探索過(guò)程中，他們發(fā)現(xiàn)，仍然有許多機(jī)理問(wèn)題沒(méi)有解決。
這兩大領(lǐng)域中的問(wèn)題也是全世界的同行們都想攀登的學(xué)術(shù)高峰。當(dāng)時(shí)，樂(lè)嘉陵年屆古稀，當(dāng)選中國(guó)工程院院士已有近10年時(shí)間，但面對(duì)新的學(xué)術(shù)高峰，毫不猶豫地選擇迎難而上。
樂(lè)嘉陵曾在錢學(xué)森先生指導(dǎo)下工作，深受其基礎(chǔ)研究思想的影響。他和科研團(tuán)隊(duì)一致認(rèn)為，對(duì)基礎(chǔ)研究的強(qiáng)調(diào)，從老一輩科學(xué)家開(kāi)始就代代傳承，已成為大家一貫的做法。
因此，科學(xué)家們相信，解決實(shí)際問(wèn)題應(yīng)當(dāng)從更深層次的基礎(chǔ)理論出發(fā)。從2010年起，他們開(kāi)始醞釀，以資助基礎(chǔ)研究主渠道的國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱自然科學(xué)基金委）作為牽引，推動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)基礎(chǔ)研究水平的提高。
2015年1月，重大研究計(jì)劃正式立項(xiàng)，年近八旬的樂(lè)嘉陵擔(dān)任指導(dǎo)專家組成員，中國(guó)工程院院士甘曉華“接棒”擔(dān)任指導(dǎo)專家組組長(zhǎng)。
在專家們看來(lái)，只有不斷打磨代表著基礎(chǔ)研究的“寶石”，才能讓發(fā)動(dòng)機(jī)這顆工業(yè)“明珠”熠熠生輝。
以應(yīng)用為導(dǎo)向
經(jīng)過(guò)多年沉淀與凝練，重大研究計(jì)劃確定了三個(gè)核心科學(xué)問(wèn)題，包括寬范圍燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、受限空間內(nèi)復(fù)雜湍流和燃燒的相互作用，以及極端條件下燃燒及燃燒穩(wěn)定性。
指導(dǎo)專家組在重大研究計(jì)劃啟動(dòng)前就進(jìn)行了詳盡的策劃，對(duì)領(lǐng)域內(nèi)最需要突破的核心技術(shù)進(jìn)行了可行性論證，吸收了國(guó)內(nèi)許多高水平專家的意見(jiàn)，最終凝練成相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題。
據(jù)了解，三個(gè)核心科學(xué)問(wèn)題之間有著“漸進(jìn)”邏輯。第一個(gè)問(wèn)題專注研究燃料化學(xué)反應(yīng)本身，是最基礎(chǔ)的范疇?！霸谥卮笱芯坑?jì)劃實(shí)施之前，領(lǐng)域內(nèi)尚未系統(tǒng)地開(kāi)展過(guò)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究?！币?qiáng)表示。
第二個(gè)問(wèn)題進(jìn)入工程范疇。科學(xué)家們將基礎(chǔ)理論應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)的各類燃燒室中，著眼于真實(shí)情況下發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒規(guī)律，包括如何點(diǎn)火、如何把火焰聯(lián)起來(lái)等。第三個(gè)問(wèn)題則聚焦一些苛刻條件下的燃燒特性。
姚強(qiáng)指出：“在這些問(wèn)題的研究中，指導(dǎo)專家組十分強(qiáng)調(diào)應(yīng)用導(dǎo)向，要求研究成果面向發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用?！睋?jù)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者了解，在重大研究計(jì)劃實(shí)施初期，甘曉華曾站在應(yīng)用方的角度作了一次報(bào)告，展示了應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)，為后續(xù)指南設(shè)置和立項(xiàng)取舍設(shè)立了原則。
與此同時(shí)，重大研究計(jì)劃緊密對(duì)接工程實(shí)際需求。針對(duì)國(guó)家相關(guān)專項(xiàng)需求，指導(dǎo)專家組多次召開(kāi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒專題技術(shù)研討會(huì)，并布置專項(xiàng)研究任務(wù)。
此外，從項(xiàng)目立項(xiàng)、驗(yàn)收到學(xué)術(shù)交流，指導(dǎo)專家組組織了相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)、學(xué)、研、用四個(gè)方面的專家共同參與。
從無(wú)到有的數(shù)據(jù)庫(kù)、公開(kāi)發(fā)表的高水平論文、相關(guān)專家擔(dān)任國(guó)際刊物主編、測(cè)量?jī)x器和診斷技術(shù)的發(fā)展……重大研究計(jì)劃實(shí)施10年來(lái)，一系列重要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)不斷涌現(xiàn)。而這些基礎(chǔ)研究工作正像一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)著該領(lǐng)域研究水平的整體提高，這令領(lǐng)域內(nèi)專家們感到欣慰。
例如，科學(xué)家首次創(chuàng)建了適用于國(guó)產(chǎn)航空煤油的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，并保證了在寬工況范圍下的適用性。這項(xiàng)研究破解了國(guó)產(chǎn)航空煤油復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型從無(wú)到有的難題，預(yù)測(cè)精度優(yōu)于國(guó)際同類模型。
科學(xué)家開(kāi)展了“斜噴環(huán)流燃燒室”點(diǎn)火、聯(lián)焰的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，揭示了點(diǎn)火、聯(lián)焰和火焰穩(wěn)定等現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)制。據(jù)了解，這一類燃燒室具有鮮明特色，在現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)中占有一席之地，其火焰燃燒規(guī)律值得深入研究。這項(xiàng)研究則為航空發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)形燃燒室設(shè)計(jì)中的周向點(diǎn)火聯(lián)焰與燃燒不穩(wěn)定性提供了理論支撐。
當(dāng)然，在重大研究計(jì)劃指導(dǎo)專家組看來(lái)，盡管一系列基礎(chǔ)研究成果已經(jīng)在世界科學(xué)舞臺(tái)上嶄露頭角，但還達(dá)不到直接應(yīng)用的水平。產(chǎn)品的成熟度常用9個(gè)等級(jí)衡量，1級(jí)是基本原理，5級(jí)、6級(jí)達(dá)到原理樣機(jī)水平。在該重大研究計(jì)劃支持下，科學(xué)家目前所做的工作可以定位在1級(jí)、2級(jí)，與完善的產(chǎn)品相比還有一定差距。
打破行業(yè)壁壘集中優(yōu)勢(shì)力量攻關(guān)
在重大研究計(jì)劃完成結(jié)束評(píng)估后，指導(dǎo)專家組成員和許多參與研究項(xiàng)目的科學(xué)家都感到，國(guó)家自然科學(xué)基金的使用效率很高。
這離不開(kāi)來(lái)自全國(guó)各行業(yè)、各領(lǐng)域高水平專家團(tuán)隊(duì)的協(xié)同攻關(guān)。燃燒室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其工作原理涉及多學(xué)科耦合作用。在重大研究計(jì)劃的支持下，多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)“多領(lǐng)域研發(fā)、多平臺(tái)應(yīng)用”實(shí)現(xiàn)了燃燒及燃燒穩(wěn)定性機(jī)理突破和集成應(yīng)用。
在重大研究計(jì)劃啟動(dòng)之初，指導(dǎo)專家組就將自然科學(xué)基金委的資助作為“號(hào)角”，號(hào)召全國(guó)從事基礎(chǔ)研究的科學(xué)家加入，有的專家甚至從來(lái)沒(méi)有參與過(guò)航空方面的研發(fā)項(xiàng)目。
“過(guò)去，行業(yè)內(nèi)總是自己在做研究。我們覺(jué)得既然這么難的基礎(chǔ)問(wèn)題都沒(méi)有解決，就應(yīng)當(dāng)打破行業(yè)壁壘，集中國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)力量共同開(kāi)展攻關(guān)?！币?qiáng)介紹。
“不管你來(lái)自哪里，只要能干就上?！痹趯＜覀兛磥?lái)，這是國(guó)家自然科學(xué)基金評(píng)審的特點(diǎn)。
為組織好來(lái)自全國(guó)各地、各行業(yè)的專家們，重大研究計(jì)劃多次組織全體項(xiàng)目負(fù)責(zé)人參加年度學(xué)術(shù)交流會(huì)及多次專題研討。同時(shí)，指導(dǎo)專家組成員也圍繞核心科學(xué)問(wèn)題的相關(guān)課題分別前往各地進(jìn)行實(shí)地考察。
當(dāng)然，對(duì)于基礎(chǔ)科學(xué)研究者而言，參與這一面向應(yīng)用的重大研究計(jì)劃，也為他們的研究成果提供了應(yīng)用的平臺(tái)，讓他們的研究有了為國(guó)家重大需求服務(wù)的機(jī)會(huì)。
例如，來(lái)自四川大學(xué)的一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)擅長(zhǎng)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，“跨界”參與重大研究計(jì)劃，圍繞碳?xì)淙剂衔⒂^特性開(kāi)展深入研究，建立了重要的數(shù)據(jù)庫(kù)，并基于此完成預(yù)測(cè)模型，為先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)研制注入了一池活水。
我國(guó)科學(xué)家發(fā)展了基于同步輻射光電離質(zhì)譜的燃燒診斷技術(shù)，可以在原子分子的層面探測(cè)燃燒過(guò)程的中間體，尤其是極其活潑的自由基、過(guò)氧化物等，為開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型提供了獨(dú)一無(wú)二的研究工具，提高了動(dòng)力學(xué)模型的精度。該研究方法得到國(guó)際同行的高度認(rèn)可。
北京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)辟了基于渦面結(jié)構(gòu)的湍流研究新方向，搭建了從湍流理論到燃燒工程應(yīng)用的橋梁，能夠精準(zhǔn)捕捉燃燒過(guò)程中不斷變化的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，并據(jù)此建立新型湍流燃燒速度模型，其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度比先前模型平均提高20%以上，為強(qiáng)湍流與高壓等極端工況下的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)提供了理論支撐。
與此同時(shí)，重大研究計(jì)劃實(shí)施10年間培養(yǎng)了一批人才，有效推動(dòng)了我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒基礎(chǔ)研究隊(duì)伍的建立，有望持續(xù)為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒領(lǐng)域的創(chuàng)新研究提供活力。
在專家們看來(lái)，面向國(guó)家戰(zhàn)略需求，該重大研究計(jì)劃吸收跨專業(yè)的優(yōu)勢(shì)力量，開(kāi)展問(wèn)題導(dǎo)向的基礎(chǔ)研究，并持續(xù)投入長(zhǎng)達(dá)10年，體現(xiàn)了“有組織基礎(chǔ)研究”的鮮明特色。
面向未來(lái)，專家們建議：第一，進(jìn)一步建設(shè)并充分利用湍流燃燒的重大基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)施，強(qiáng)化多學(xué)科交叉融合，不斷突破燃燒科學(xué)理論邊界；第二，大力推進(jìn)可解釋人工智能、多尺度數(shù)據(jù)融合、圖形處理器、量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)辟新的研究路徑；第三，在低溫、低壓極端環(huán)境下開(kāi)展湍流燃燒的基礎(chǔ)理論研究及工程驗(yàn)證；第四，開(kāi)展全新熱化學(xué)非平衡湍流燃燒以及湍流燃燒與熱防護(hù)一體化等前沿學(xué)科領(lǐng)域的研究。
對(duì)此，姚強(qiáng)認(rèn)為，未來(lái)工程中的問(wèn)題仍然需要基礎(chǔ)研究提供源源不斷的創(chuàng)新思想?！白鰧?shí)驗(yàn)的學(xué)者應(yīng)當(dāng)和做計(jì)算、做理論的學(xué)者在一起更加緊密地開(kāi)展合作?！彼麖?qiáng)調(diào)，“基礎(chǔ)研究不能停！”
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》(2025-03-31 第4版 自然科學(xué)基金)（原標(biāo)題：讓火焰在湍流中奔騰——記國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃“面向發(fā)動(dòng)機(jī)的湍流燃燒基礎(chǔ)研究”）
本文鏈接：http://www.enbeike.cn/news-8-3210-0.html這一重大研究計(jì)劃啟動(dòng)10年：讓火焰在湍流中奔騰
聲明：本網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容由互聯(lián)網(wǎng)博主自發(fā)貢獻(xiàn)，不代表本站觀點(diǎn)，本站不承擔(dān)任何法律責(zé)任。天上不會(huì)到餡餅，請(qǐng)大家謹(jǐn)防詐騙！若有侵權(quán)等問(wèn)題請(qǐng)及時(shí)與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間刪除處理。
點(diǎn)擊右上角
微信好友
朋友圈
點(diǎn)擊瀏覽器下方“
”分享微信好友Safari瀏覽器請(qǐng)點(diǎn)擊“
”按鈕
點(diǎn)擊右上角
QQ
點(diǎn)擊瀏覽器下方“”分享QQ好友Safari瀏覽器請(qǐng)點(diǎn)擊“”按鈕
