編者按
發(fā)動機是交通、能源等關(guān)鍵領(lǐng)域的核心設(shè)備，是衡量國家綜合國力和科技實力的關(guān)鍵指標(biāo)。面對先進(jìn)發(fā)動機研制的一系列核心技術(shù)難題，國家自然科學(xué)基金委員會于2014年啟動國家自然科學(xué)基金重大研究計劃“面向發(fā)動機的湍流燃燒基礎(chǔ)研究”，組織我國科研工作者開展了一系列創(chuàng)新性研究，為實現(xiàn)我國發(fā)動機自主研發(fā)提供了強有力的科技支撐。
具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的超燃沖壓發(fā)動機設(shè)計與評估軟件。科研團隊供圖
■本報記者 甘曉
湍流和燃燒是我們在日常生活中常見的現(xiàn)象，在科學(xué)領(lǐng)域卻是名副其實的世界難題。這些未解的科學(xué)難題制約了發(fā)動機性能的進(jìn)一步提升。
“關(guān)鍵核心技術(shù)是要不來、買不來、討不來的?！卑l(fā)動機被譽為“工業(yè)皇冠上的明珠”，基礎(chǔ)科學(xué)問題則好比鑲嵌在這顆“明珠”中的“寶石”。面向國家對發(fā)動機的重大需求，中國科學(xué)家回到基礎(chǔ)科學(xué)問題中，尋找自主創(chuàng)新的突破方向。
自2014年底以來，在國家自然科學(xué)基金重大研究計劃“面向發(fā)動機的湍流燃燒基礎(chǔ)研究”（以下簡稱重大研究計劃）的支持下，我國科研工作者聚焦發(fā)動機湍流燃燒的基礎(chǔ)性難題，為發(fā)動機可控燃燒技術(shù)發(fā)展奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。
2025年初，重大研究計劃完成結(jié)束評估。重大研究計劃指導(dǎo)專家組成員、清華大學(xué)教授姚強告訴《中國科學(xué)報》：“10年來，我國科學(xué)家圍繞燃燒反應(yīng)動力學(xué)和湍流燃燒學(xué)開展攻關(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">St3即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
在專家們看來，這些基礎(chǔ)科學(xué)方面的突破，有望推動形成先進(jìn)發(fā)動機設(shè)計研制的“中國方案”。
攀登新的學(xué)術(shù)高峰
發(fā)動機是交通、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)動機的運行始于燃燒，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、渦輪等運動部件，從而轉(zhuǎn)換成機械能。因此，作為發(fā)動機正常運行的基本條件，燃燒的關(guān)鍵作用不言而喻。
據(jù)了解，對于發(fā)動機而言，燃燒還需具備一些特殊條件。發(fā)動機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湍流流動特征。與平滑、有序流動的“層流”不同，湍流中的流體不沿著固定路徑移動，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)生強烈的動量、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。
我國空氣動力學(xué)專家認(rèn)為，這個過程的核心基礎(chǔ)科學(xué)問題背后便是湍流和化學(xué)反應(yīng)的耦合機理。而由于對湍流和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)這兩個領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)問題都缺乏深入、系統(tǒng)的研究，該領(lǐng)域的發(fā)展受到了限制。
2005年前后，我國知名空氣動力學(xué)專家、中國工程院院士樂嘉陵帶領(lǐng)科研團隊開展了一系列發(fā)動機研制的實驗。他們曾率先嘗試用數(shù)值計算的方法進(jìn)行設(shè)計。當(dāng)時，數(shù)值計算發(fā)展方興未艾，處于科學(xué)前沿，是較為先進(jìn)的方法。探索過程中，他們發(fā)現(xiàn)，仍然有許多機理問題沒有解決。
這兩大領(lǐng)域中的問題也是全世界的同行們都想攀登的學(xué)術(shù)高峰。當(dāng)時，樂嘉陵年屆古稀，當(dāng)選中國工程院院士已有近10年時間，但面對新的學(xué)術(shù)高峰，毫不猶豫地選擇迎難而上。
樂嘉陵曾在錢學(xué)森先生指導(dǎo)下工作，深受其基礎(chǔ)研究思想的影響。他和科研團隊一致認(rèn)為，對基礎(chǔ)研究的強調(diào)，從老一輩科學(xué)家開始就代代傳承，已成為大家一貫的做法。
因此，科學(xué)家們相信，解決實際問題應(yīng)當(dāng)從更深層次的基礎(chǔ)理論出發(fā)。從2010年起，他們開始醞釀，以資助基礎(chǔ)研究主渠道的國家自然科學(xué)基金委員會（以下簡稱自然科學(xué)基金委）作為牽引，推動領(lǐng)域內(nèi)基礎(chǔ)研究水平的提高。
2015年1月，重大研究計劃正式立項，年近八旬的樂嘉陵擔(dān)任指導(dǎo)專家組成員，中國工程院院士甘曉華“接棒”擔(dān)任指導(dǎo)專家組組長。
在專家們看來，只有不斷打磨代表著基礎(chǔ)研究的“寶石”，才能讓發(fā)動機這顆工業(yè)“明珠”熠熠生輝。
以應(yīng)用為導(dǎo)向
經(jīng)過多年沉淀與凝練，重大研究計劃確定了三個核心科學(xué)問題，包括寬范圍燃燒反應(yīng)動力學(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劃啟動前就進(jìn)行了詳盡的策劃，對領(lǐng)域內(nèi)最需要突破的核心技術(shù)進(jìn)行了可行性論證，吸收了國內(nèi)許多高水平專家的意見，最終凝練成相關(guān)的科學(xué)問題。
據(jù)了解，三個核心科學(xué)問題之間有著“漸進(jìn)”邏輯。第一個問題專注研究燃料化學(xué)反應(yīng)本身，是最基礎(chǔ)的范疇。“在重大研究計劃實施之前，領(lǐng)域內(nèi)尚未系統(tǒng)地開展過化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)研究?！币姳硎?。
第二個問題進(jìn)入工程范疇?？茖W(xué)家們將基礎(chǔ)理論應(yīng)用到發(fā)動機的各類燃燒室中，著眼于真實情況下發(fā)動機的燃燒規(guī)律，包括如何點火、如何把火焰聯(lián)起來等。第三個問題則聚焦一些苛刻條件下的燃燒特性。
姚強指出：“在這些問題的研究中，指導(dǎo)專家組十分強調(diào)應(yīng)用導(dǎo)向，要求研究成果面向發(fā)動機的應(yīng)用。”據(jù)《中國科學(xué)報》記者了解，在重大研究計劃實施初期，甘曉華曾站在應(yīng)用方的角度作了一次報告，展示了應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)，為后續(xù)指南設(shè)置和立項取舍設(shè)立了原則。
與此同時，重大研究計劃緊密對接工程實際需求。針對國家相關(guān)專項需求，指導(dǎo)專家組多次召開航空發(fā)動機燃燒專題技術(shù)研討會，并布置專項研究任務(wù)。
此外，從項目立項、驗收到學(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、用四個方面的專家共同參與。
從無到有的數(shù)據(jù)庫、公開發(fā)表的高水平論文、相關(guān)專家擔(dān)任國際刊物主編、測量儀器和診斷技術(shù)的發(fā)展……重大研究計劃實施10年來，一系列重要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)不斷涌現(xiàn)。而這些基礎(chǔ)研究工作正像一臺發(fā)動機，驅(qū)動著該領(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)建了適用于國產(chǎn)航空煤油的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型，并保證了在寬工況范圍下的適用性。這項研究破解了國產(chǎn)航空煤油復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型從無到有的難題，預(yù)測精度優(yōu)于國際同類模型。
科學(xué)家開展了“斜噴環(huán)流燃燒室”點火、聯(lián)焰的數(shù)值模擬和實驗研究，揭示了點火、聯(lián)焰和火焰穩(wěn)定等現(xiàn)象的發(fā)生機制。據(jù)了解，這一類燃燒室具有鮮明特色，在現(xiàn)代發(fā)動機技術(shù)中占有一席之地，其火焰燃燒規(guī)律值得深入研究。這項研究則為航空發(fā)動機環(huán)形燃燒室設(shè)計中的周向點火聯(lián)焰與燃燒不穩(wěn)定性提供了理論支撐。
當(dāng)然，在重大研究計劃指導(dǎo)專家組看來，盡管一系列基礎(chǔ)研究成果已經(jīng)在世界科學(xué)舞臺上嶄露頭角，但還達(dá)不到直接應(yīng)用的水平。產(chǎn)品的成熟度常用9個等級衡量，1級是基本原理，5級、6級達(dá)到原理樣機水平。在該重大研究計劃支持下，科學(xué)家目前所做的工作可以定位在1級、2級，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)勢力量攻關(guān)
在重大研究計劃完成結(jié)束評估后，指導(dǎo)專家組成員和許多參與研究項目的科學(xué)家都感到，國家自然科學(xué)基金的使用效率很高。
這離不開來自全國各行業(yè)、各領(lǐng)域高水平專家團隊的協(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。在重大研究計劃的支持下，多個科研團隊通過“多領(lǐng)域研發(fā)、多平臺應(yīng)用”實現(xiàn)了燃燒及燃燒穩(wěn)定性機理突破和集成應(yīng)用。
在重大研究計劃啟動之初，指導(dǎo)專家組就將自然科學(xué)基金委的資助作為“號角”，號召全國從事基礎(chǔ)研究的科學(xué)家加入，有的專家甚至從來沒有參與過航空方面的研發(fā)項目。
“過去，行業(yè)內(nèi)總是自己在做研究。我們覺得既然這么難的基礎(chǔ)問題都沒有解決，就應(yīng)當(dāng)打破行業(yè)壁壘，集中國內(nèi)優(yōu)勢力量共同開展攻關(guān)?！币娊榻B。
“不管你來自哪里，只要能干就上?！痹趯＜覀兛磥恚@是國家自然科學(xué)基金評審的特點。
為組織好來自全國各地、各行業(yè)的專家們，重大研究計劃多次組織全體項目負(fù)責(zé)人參加年度學(xué)術(shù)交流會及多次專題研討。同時，指導(dǎo)專家組成員也圍繞核心科學(xué)問題的相關(guān)課題分別前往各地進(jìn)行實地考察。
當(dāng)然，對于基礎(chǔ)科學(xué)研究者而言，參與這一面向應(yīng)用的重大研究計劃，也為他們的研究成果提供了應(yīng)用的平臺，讓他們的研究有了為國家重大需求服務(wù)的機會。
例如，來自四川大學(xué)的一個科研團隊擅長化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)，“跨界”參與重大研究計劃，圍繞碳?xì)淙剂衔⒂^特性開展深入研究，建立了重要的數(shù)據(jù)庫，并基于此完成預(yù)測模型，為先進(jìn)發(fā)動機研制注入了一池活水。
我國科學(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燃燒過程的中間體，尤其是極其活潑的自由基、過氧化物等，為開發(fā)和驗證燃燒反應(yīng)動力學(xué)模型提供了獨一無二的研究工具，提高了動力學(xué)模型的精度。該研究方法得到國際同行的高度認(rèn)可。
北京大學(xué)科研團隊開辟了基于渦面結(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)捕捉燃燒過程中不斷變化的流動結(jié)構(gòu)，并據(jù)此建立新型湍流燃燒速度模型，其預(yù)測準(zhǔn)確度比先前模型平均提高20%以上，為強湍流與高壓等極端工況下的航空發(fā)動機燃燒室設(shè)計提供了理論支撐。
與此同時，重大研究計劃實施10年間培養(yǎng)了一批人才，有效推動了我國發(fā)動機燃燒基礎(chǔ)研究隊伍的建立，有望持續(xù)為發(fā)動機燃燒領(lǐng)域的創(chuàng)新研究提供活力。
在專家們看來，面向國家戰(zhàn)略需求，該重大研究計劃吸收跨專業(yè)的優(yōu)勢力量，開展問題導(dǎo)向的基礎(chǔ)研究，并持續(xù)投入長達(dá)10年，體現(xiàn)了“有組織基礎(chǔ)研究”的鮮明特色。
面向未來，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)實驗設(shè)施，強化多學(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、量子計算技術(shù)的發(fā)展，開辟新的研究路徑；第三，在低溫、低壓極端環(huán)境下開展湍流燃燒的基礎(chǔ)理論研究及工程驗證；第四，開展全新熱化學(xué)非平衡湍流燃燒以及湍流燃燒與熱防護一體化等前沿學(xué)科領(lǐng)域的研究。
對此，姚強認(rèn)為，未來工程中的問題仍然需要基礎(chǔ)研究提供源源不斷的創(chuàng)新思想?！白鰧嶒灥膶W(xué)者應(yīng)當(dāng)和做計算、做理論的學(xué)者在一起更加緊密地開展合作?！彼麖娬{(diào)，“基礎(chǔ)研究不能停！”
《中國科學(xué)報》(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——記國家自然科學(xué)基金重大研究計劃“面向發(fā)動機的湍流燃燒基礎(chǔ)研究”）
本文鏈接：http://m.enbeike.cn/news-8-3210-0.html這一重大研究計劃啟動10年：讓火焰在湍流中奔騰
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