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持续耕耘丨高超声速,从理论到飞行:乐嘉陵院士研究论文选集

已有 1904 次阅读 2019-11-22 14:05 |个人分类:科学书摘|系统分类:科研笔记| 曾学军, 倪鸿, 白菡尘, 焦伟, 张若凌

乐嘉陵院士,1954 年考入北京航空学院,1956 年进入空气动力学专业,1964年研究生毕业后在北京空气动力研究所工作,1971 年赴四川绵阳参加中国空气动力研究与发展中心建设与相关研究至今。


 乐嘉陵院士简介:



乐嘉陵,男,中国工程院院士,原中国人民 解放军总装备部科学技术委员会兼职委员、顾问,原总装备部空气动力学专业组长,中国空气动力学学会副理事长。现任中国空气动力研究与发展中心研究员,《实验流体力学》杂志主编。


乐嘉陵院士长期从事高超声速地面试验设备和试验技术、弹头突防气动物理、运载火箭空气动力、高超声速推进与飞行器等领域的理论和试验研究,是我国高超声速空气动力学、再入气动物理、火箭空气动力学和吸气式高超声速技术的学科带头人之一。近20 多年来领导了近百名中国空气动力研究与发展中心(CARDC)吸气式高超声速技术研究人员组成的团队,开展了高超声速飞行器和超燃冲压发动机关键技术研究,并取得重大突破,包括研制2.4 米口径大型脉冲燃烧风洞,开展相应的飞行试验研究,研制基于超级计算的超声速燃烧流动三维大规模并行数值软件及相应的试验诊断研究,为我国吸气式高超声速技术及其战略发展做出了重要贡献。


乐嘉陵院士曾获何梁何利基金科学与技术进步奖,国家科技进步奖二等奖1 项、三等奖1 项,军队科技进步奖一等奖7 项、二等奖7项,在国内外学术期刊和会议上发表论文310 余篇。


乐嘉陵院士的主要研究领域为高超声速空气动力学,包括再入物理、各类脉冲设备、CFD 及相关测量,近20 余年主要从事吸气式高超声速和超声速燃烧研究等。本论文集共44 篇文章,分为三个部分,即高超声速非平衡流动研究、激波与流动显示研究和高超声速技术研究,大致反映了不同时期乐嘉陵院士在中国空气动力研究与发展中心关注的高超声速领域取得的研究进展。

 

高超声速非平衡流动是中国空气动力研究与发展中心早期规划的研究内容。20世纪60−70 年代美国阿波罗登月、苏联再入弹头和人造卫星发射,以及国内外高超声速热障攻关与突破,大大推动了高超声速空气动力学和气动物理的发展。我国在钱学森等的领导下亦制订了高超声速技术(包括探月返回再入辐射传热等)研究和人才发展规划。1964 年左右我国就开始进行气动物理研究,1970 年航空航天工业部和中国科学院力学研究所利用中国空气动力研究与发展中心的激波管、电弧风洞等实验装置开展了实验和理论研究,1980 年起,航空航天工业部开始组织气动物理研究与交流。1999-2003 年在国家自然科学基金重点项目支持下,乐嘉陵院士继续主持“高温高焓气体非平衡特性研究”的项目研究工作。文集中高超声速非平衡流动研究部分中有几篇论文涉及了辐射传热、强激波后电离非平衡,另外在弹道靶中直径为12mm、飞行M=15 圆球模型的非平衡流动,其研究目的是验证大量非平衡流动计算方法,当前这一领域仍然值得关注。

 

激波与流动显示研究部分,研究的是运动激波与(运动和静止)物体间的相互作用,主要实验工具是小尺寸光学激波管(40mm×40mm)。通过各类密度场测量与计算流动显示(Computational Flow Imaging, CFI)对比,以验证CFD 计算方法。乐嘉陵院士独立发展的彩色干涉条纹技术对清晰判断强激波前后的定量密度场发挥了重大作用。此外,这方面的研究亦为靶场安全评估发挥了作用。在分析1996 年2 月15 日发生的某火箭爆炸时,采用了一套经实验验证的数值软件系统,及时评估了爆炸波在复杂山区1.5km 外对建筑物的冲击载荷和损毁效应。

 

高超声速技术研究部分,选编了自1995 年以来在中国空气动力研究与发展中心高超中心开展的燃烧空气动力学研究工作。其中包括乐嘉陵院士根据当时中国国情提出的实施国家高超声速飞行器计划的马赫数、航程和小型飞行器尺寸等建议,以及确定了机体/推进一体化研究的具体参数和所需风洞试验参数。为开展这方面研究,乐嘉陵团队做出了包括2.4 米喷管直径在内的系列脉冲燃烧风洞研制及其在超燃发动机中应用等开创性工作。与传统的连续式风洞进行燃烧试验研究不同,首创建立的工作时间仅几百毫秒的脉冲燃烧风洞,最大贡献在于能以最经济高效方式获得从基础到实际应用的结果,包括开展带动力(液态煤油燃料)三维机体/推进一体化飞行器整体气动性能及超燃发动机脉冲和连续风洞的对比试验。通过长达十多年研究,最终获得了国内外认可。此外,高超中心建立的计算工具AHL3D 是国内最早独立开发用于燃烧流动的三维大规模并行数值模拟平台,经过了两相流和光学诊断(OH-PLIF、自发光高速摄影、差分干涉、阴影)和反应动力学的算例考核,在AHL3D 的基础上发展了较完整的再生冷却热结构设计计算工具,已经为内流道热环境研究和液态燃料再生冷却通道设计发挥了重要作用。三维大规模并行数值软件也用于了复杂构型复杂化学反应的单头部航发燃烧室计算,并进行了实验验证,表明它可用于更复杂构型的计算与分析。



2002 年6 月,安县晓坝镇牛头山下,初期建立的流量1kg/s 双管式脉冲燃烧风洞,开展氢和液态碳氢燃料超声速燃烧流动研究。



乐嘉陵院士和爱人(曹履晖),2013年11月在酒泉观看模型飞行试验。




2017 年3 月,乐嘉陵院士领导团队部分青年研究人员参加厦门高超声速流动国际会议




乐嘉陵院士的最早培养一批博士生和初期吸气式高超研究小组部分人员于2019年7月在绵阳CARDC会议中心钱学森塑像前合影留念。(前排左起)王兰,贺伟,曾来荣,刘伟雄,乐嘉陵,曾学军(1984年入学),白菡尘,贺元元,赵慧勇。(后排左起)焦伟,倪鸿礼,董维中,李向东,王晓东,吴东升,杨顺华,贺旭照,邢建文。


再入物理(或气动物理)和燃烧空气动力学是高超声速空气动力学两个重要的发展分支,亦是空气动力学与物理化学学科进一步交叉与发展。虽然论文集中的内容仅仅涉及一小部分,但从学科和工程方面国内外正在从深度和广度上发展。

 

最后需要说明的是,选编的论文是乐嘉陵院士和合作者(包括研究生)共同辛勤劳动和潜心研究的成果,这些成果的取得,得益于中国空气动力研究与发展中心和上级机关各级领导的组织和推动。乐嘉陵院士在此向他们表示衷心感谢!


本文摘编自曾学军等编《乐嘉陵院士研究论文选集》序言部分,略有编辑改动。


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乐嘉陵院士研究论文选集
曾学军,倪鸿礼,白菡尘,焦伟,张若凌 编
责任编辑:赵敬伟
北京: 科学出版社,2019. 11
ISBN:978-7-03-059032-9

内容简介:


本书选编了乐嘉陵院士及其研究团队多年来在高超声速空气动力学方面具有代表性的论文,主要涉及高超声速非平衡流动、激波与流动显示和高超声速技术等研究内容。前言简要介绍了乐嘉陵院士及其带领的团队开展研究工作的情况。文集分为三个部分。第一部分主要是乐嘉陵院士在高超声速非平衡流动方面发表的文章,这与中国空气动力研究与发展中心早期规划的研究内容相关。第二部分是激波与流动显示研究论文,研究的是运动激波与(运动和静止)物体间的相互作用。第三部分高超声速技术研究论文,选编了自1995 年以来中国空气动力研究与发展中心高超中心开展的燃烧空气动力学研究工作。附录是乐嘉陵院士于2017 年12 月前发表论文的统计。


本期编辑丨小文



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