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第29章 陈懋章 流体力学航空发动机专家

陈懋章(1936.2—),四川省成都人,流体力学和航空发动机专家,中国工程院院士。1952年考入北京航空学院发动机设计专业,1956年加入中国共产党,1957年毕业后留校任教至今。1979年,作为改革开放后第一批公派出国的访问学者,在英国伦敦大学帝国理工学院航空系进修,1981年回国;1983年被国务院学位委员会批准为博士生导师;现为北京航空航天大学教授。陈懋章是流体力学和航空发动机专家,先后担任国务院学位委员会航空航天评议组成员、航空航天工业部重点型号研制专家顾问组成员、北京大学湍流国家重点实验室学术委员会委员和《航空动力学报》主编等工作。曾先后获得国家科技进步一等奖、国家技术发明二等奖、国防科技一等奖、何梁何利科学与技术进步奖和国家级优秀教材二等奖等。1999年当选中国工程院院士。

1957年,陈懋章大学毕业后分配在北京航空学院任教,从事航空发动机原理和叶轮机械气动力学方面的教学和科研工作,讲授发动机原理课程。在此基础上,编写了《航空燃气涡轮发动机原理》一书,1962年由北京科学教育编辑室出版。

在“文化大革命”的10年中,陈懋章读了很多杂书,也读了不少科技书籍。比较系统地学习了近现代的数学理论,包括许多经典巨著;学习了计算机的编程和应用。那时不仅个人没有计算机,学校也没有计算机。为了上机,陈懋章只好到科学院计算所用109乙机。输入是纸带上打孔,用孔的不同的组合代表不同的字符。因为是利用外单位设备,因此上机时间大都安排在凌晨二三点,只给15~30分钟。回忆这段经历,陈懋章说:当时不只是我一个人这样,我们学校有好几位老师都这样,后来他们都成为学校的骨干。

1979年,作为改革开放后第一批公派出国的访问学者,陈懋章在英国帝国理工学院航空系从事湍流和转捩研究,对三维不稳定波进行研究,完成边界层转捩过程三维波发展的中前期阶段的理论描述,这个理论具有重要价值。1981年秋,陈懋章回国后仍在北航工作。领导和朋友们根据他在英国的研究,希望他讲授湍流方面的课程,并编写相关的讲义和书籍。考虑到湍流在理论和工程实际应用方面的重要性,且文献资料浩繁,学派林立,初学者如坠烟海,难得要领,而国内当时这方面的专著和教材还很少,特别是既要系统阐述黏性流体力学和湍流的基本理论,又要顾及这些理论的现代发展和与计算流体力学相联系的工程应用,于是陈懋章决定下力气做好这件事情,先后编写了专著《粘性流体动力学理论及紊流工程计算》和《粘性流体动力学基础》,分别由北京航空航天大学出版社和高等教育出版社出版,后者获国家优秀教材二等奖。

鉴于我国航空压气机特别是多级核心压气机技术的落后和研制的迫切需求,以及国外著名大学和发动机公司,如剑桥、GE等在利用低速大尺寸技术所取得的巨大成功,陈懋章与另一位老师共同倡议并领导了对此项技术的研究,即用低速大尺寸压气机试验模拟高速真实尺寸压气机的流动。其中主要的理论困难是高低速之间的相似转换。对于小弯度的孤立翼型,Prandtl-Glauert法则可以解决此问题,但对于压气机内的大弯度、多叶片的叶栅流动,该法则不再适用。陈懋章等人的研究解决了此难题,实现了用几何不相似来保证不同马赫数条件下的气动力相似,以便把低速试验结果转换到高速,奠定了该技术的理论基础。该项研究在转子流场动态测量技术等方面也有重要创新。该技术和按此建立的试验设备是研制航空多级核心压气机和研究其流场精细结构的基础设备,对从根本上提高我国压气机设计研制水平具有重要作用,1993年获国家科技进步一等奖。

从1981年回国后,陈懋章一直与航空发动机研究厂所有密切的联系和合作,为涡喷13B发动机的研制成功做出了重要贡献。陈懋章指导并参与该机跨声压气机改型研制,在转速和直径不增大的条件下,流量、压比和效率分别提高了3%、4.2%和2.6%,显著提高了发动机的性能。1992年,我国自己改型的某发动机试飞时发生了发动机空中熄火、空中停车等故障。经过反复思考、排查,发现所采用的苏联传统处理机匣虽有扩大稳定工作范围的作用,但却也有严重弊端。一开始他不敢相信这种看法,因为处理机匣在苏联用得较多,他们是处理机匣技术最先进的国家之一。这种处理机匣一直被奉为经典,号称无失速喘振处理机匣。在这样的光环下,没有人认真思考过它的真实工作能力,更不用说怀疑它是否还存在弊端。发现它的弊端后,陈懋章构思了一种新的工作原理和结构,利用扭曲扰流片控制压气机端区流场,不仅在中低转速使喘振裕度比原型处理机匣提高5%以上,而且在整个转速范围内使效率提高1.0%~1.5%,保证了发动机在整个飞行包线内稳定可靠工作,排除了空中熄火故障。根据调查,此前国内外尚无这种处理机匣,它为解决高负荷高通流压气机获得高效率、高喘振裕度的难题提供了适用而有效的方法。这种新型处理机匣在某些发动机上得到成功应用。该项技术获1999年国家技术发明二等奖。

陈懋章在叶轮机械三维流理论和实践方面获多项重要成果。作为负责人,陈懋章于20世纪90年代后期与外单位合作研制的新型飞行器用高负荷风扇,试验单级压比达2.49,绝热效率达90.5%,是当时国内最高的,达到美国90年代预研风扇的先进水平。陈懋章提出一种以拉格朗日框架为基础的扰动涡方法处理动静叶相互干扰的非定常三维流问题,得到很好应用。他将普朗特—迈耶平面膨胀波理论推广到变厚度的相对回转流面上,为叶轮机械内超跨声流动的研究提供了解析工具。

1999年,陈懋章当选为中国工程院院士。他说,当选院士既是过去阶段的结束,也是一个新阶段的开始,应该更有作为。风扇/压气机是航空发动机的关键部件之一,在很大程度上决定着发动机的性能,甚至研制的成败。我国航空发动机技术落后,长期制约着我国航空工业的发展,风扇/压气机技术落后是其主要原因之一。常规风扇/压气机经过多年的发展已经很成熟,不可能在现有基础上进一步大幅度提高其性能,所以必须进行根本性创新。他们全面调查研究了该领域的情况,分析了相关各项技术的优势和不足,提出了一种新的结构。经过10年努力,按他们的新思路设计研制的压气机,经受了包括试飞在内的一系列严酷试验考验。压气机部件试验表明,表征压气机性能的4个主要参数(即增压比、效率、流量和稳定工作范围)都有不同程度的提高。最难能可贵的,不是某单项指标的提高,而是均衡提高,这是科技人员极力追求而又很难到达的目标。将这种压气机装到发动机上完成了整机试验,试验表明,发动机功率大幅度提高,耗油率下降,发动机运行平稳、正常。该项技术经历了从基础研究、应用基础研究、演示验证到工程应用的全过程,已用于我国现役涡扇和涡轴发动机的改进改型,明显提高了发动机的性能。

陈懋章曾被授予全国模范教师、先进国防科技工作者等荣誉称号。

陈懋章1999年当选中国工程院院士。

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