這一重大研究計劃啟動10年：讓火焰在湍流中奔騰
編者按
發(fā)動機是交通、能源等關鍵領域的核心設備，是衡量國家綜合國力和科技實力的關鍵指標。面對先進發(fā)動機研制的一系列核心技術難題，國家自然科學基金委員會于2014年啟動國家自然科學基金重大研究計劃“面向發(fā)動機的湍流燃燒基礎研究”，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權的超燃沖壓發(fā)動機設計與評估軟件。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象，在科學領域卻是名副其實的世界難題。這些未解的科學難題制約了發(fā)動機性能的進一步提升。
“關鍵核心技術是要不來、買不來、討不來的。”發(fā)動機被譽為“工業(yè)皇冠上的明珠”，基礎科學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，中國科學家回到基礎科學問題中，尋找自主創(chuàng)新的突破方向。
自2014年底以來，在國家自然科學基金重大研究計劃“面向發(fā)動機的湍流燃燒基礎研究”（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性難題，為發(fā)動機可控燃燒技術發(fā)展奠定了堅實的理論基礎。
2025年初，重大研究計劃完成結束評估。重大研究計劃指導專家組成員、清華大學教授姚強告訴《中國科學報》：“10年來，我國科學家圍繞燃燒反應動力學和湍流燃燒學開展攻關，在理論和方法的源頭創(chuàng)新上取得了重要突破。”
在專家們看來，這些基礎科學方面的突破，有望推動形成先進發(fā)動機設計研制的“中國方案”。
攀登新的學術高峰
發(fā)動機是交通、能源等領域的核心設備，其研制技術難度極大。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的化學能轉換成熱能，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，燃燒的關鍵作用不言而喻。
據了解，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進行,而要在如此小的空間內和極短的時間內產生巨大的熱量，就需要向燃燒室內吹入大量空氣。
這些高速進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構，這些結構不斷分裂、合并，使得流體內部發(fā)生強烈的動量、熱量及物質交換。
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，化學反應盡可能充分，從而提高燃燒效率。
我國空氣動力學專家認為，這個過程的核心基礎科學問題背后便是湍流和化學反應的耦合機理。而由于對湍流和化學反應動力學這兩個領域的基礎科學問題都缺乏深入、系統(tǒng)的研究，該領域的發(fā)展受到了限制。
2005年前后，我國知名空氣動力學專家、中國工程院院士樂嘉陵帶領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值計算的方法進行設計。當時，數值計算發(fā)展方興未艾，處于科學前沿，是較為先進的方法。探索過程中，他們發(fā)現，仍然有許多機理問題沒有解決。
這兩大領域中的問題也是全世界的同行們都想攀登的學術高峰。當時，樂嘉陵年屆古稀，當選中國工程院院士已有近10年時間，但面對新的學術高峰，毫不猶豫地選擇迎難而上。
樂嘉陵曾在錢學森先生指導下工作，深受其基礎研究思想的影響。他和科研團隊一致認為，對基礎研究的強調，從老一輩科學家開始就代代傳承，已成為大家一貫的做法。
因此，科學家們相信，解決實際問題應當從更深層次的基礎理論出發(fā)。從2010年起，他們開始醞釀，以資助基礎研究主渠道的國家自然科學基金委員會（以下簡稱自然科學基金委）作為牽引，推動領域內基礎研究水平的提高。
2015年1月，重大研究計劃正式立項，年近八旬的樂嘉陵擔任指導專家組成員，中國工程院院士甘曉華“接棒”擔任指導專家組組長。
在專家們看來，只有不斷打磨代表著基礎研究的“寶石”，才能讓發(fā)動機這顆工業(yè)“明珠”熠熠生輝。
以應用為導向
經過多年沉淀與凝練，重大研究計劃確定了三個核心科學問題，包括寬范圍燃燒反應動力學、受限空間內復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。
指導專家組在重大研究計劃啟動前就進行了詳盡的策劃，對領域內最需要突破的核心技術進行了可行性論證，吸收了國內許多高水平專家的意見，最終凝練成相關的科學問題。
據了解，三個核心科學問題之間有著“漸進”邏輯。第一個問題專注研究燃料化學反應本身，是最基礎的范疇。“在重大研究計劃實施之前，領域內尚未系統(tǒng)地開展過化學反應動力學研究。”姚強表示。
第二個問題進入工程范疇。科學家們將基礎理論應用到發(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，指導專家組十分強調應用導向，要求研究成果面向發(fā)動機的應用。”據《中國科學報》記者了解，在重大研究計劃實施初期，甘曉華曾站在應用方的角度作了一次報告，展示了應用中面臨的挑戰(zhàn)，為后續(xù)指南設置和立項取舍設立了原則。
與此同時，重大研究計劃緊密對接工程實際需求。針對國家相關專項需求，指導專家組多次召開航空發(fā)動機燃燒專題技術研討會，并布置專項研究任務。
此外，從項目立項、驗收到學術交流，指導專家組組織了相關領域產、學、研、用四個方面的專家共同參與。
從無到有的數據庫、公開發(fā)表的高水平論文、相關專家擔任國際刊物主編、測量儀器和診斷技術的發(fā)展……重大研究計劃實施10年來，一系列重要學術貢獻不斷涌現。而這些基礎研究工作正像一臺發(fā)動機，驅動著該領域研究水平的整體提高，這令領域內專家們感到欣慰。
例如，科學家首次創(chuàng)建了適用于國產航空煤油的化學反應動力學模型，并保證了在寬工況范圍下的適用性。這項研究破解了國產航空煤油復雜化學反應動力學模型從無到有的難題，預測精度優(yōu)于國際同類模型。
科學家開展了“斜噴環(huán)流燃燒室”點火、聯焰的數值模擬和實驗研究，揭示了點火、聯焰和火焰穩(wěn)定等現象的發(fā)生機制。據了解，這一類燃燒室具有鮮明特色，在現代發(fā)動機技術中占有一席之地，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)形燃燒室設計中的周向點火聯焰與燃燒不穩(wěn)定性提供了理論支撐。
當然，在重大研究計劃指導專家組看來，盡管一系列基礎研究成果已經在世界科學舞臺上嶄露頭角，但還達不到直接應用的水平。產品的成熟度常用9個等級衡量，1級是基本原理，5級、6級達到原理樣機水平。在該重大研究計劃支持下，科學家目前所做的工作可以定位在1級、2級，與完善的產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
在重大研究計劃完成結束評估后，指導專家組成員和許多參與研究項目的科學家都感到，國家自然科學基金的使用效率很高。
這離不開來自全國各行業(yè)、各領域高水平專家團隊的協(xié)同攻關。燃燒室結構復雜，其工作原理涉及多學科耦合作用。在重大研究計劃的支持下，多個科研團隊通過“多領域研發(fā)、多平臺應用”實現了燃燒及燃燒穩(wěn)定性機理突破和集成應用。
在重大研究計劃啟動之初，指導專家組就將自然科學基金委的資助作為“號角”，號召全國從事基礎研究的科學家加入，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)內總是自己在做研究。我們覺得既然這么難的基礎問題都沒有解決，就應當打破行業(yè)壁壘，集中國內優(yōu)勢力量共同開展攻關。”姚強介紹。
“不管你來自哪里，只要能干就上。”在專家們看來，這是國家自然科學基金評審的特點。
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責人參加年度學術交流會及多次專題研討。同時，指導專家組成員也圍繞核心科學問題的相關課題分別前往各地進行實地考察。
當然，對于基礎科學研究者而言，參與這一面向應用的重大研究計劃，也為他們的研究成果提供了應用的平臺，讓他們的研究有了為國家重大需求服務的機會。
例如，來自四川大學的一個科研團隊擅長化學反應動力學，“跨界”參與重大研究計劃，圍繞碳氫燃料微觀特性開展深入研究，建立了重要的數據庫，并基于此完成預測模型，為先進發(fā)動機研制注入了一池活水。
我國科學家發(fā)展了基于同步輻射光電離質譜的燃燒診斷技術，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)和驗證燃燒反應動力學模型提供了獨一無二的研究工具，提高了動力學模型的精度。該研究方法得到國際同行的高度認可。
北京大學科研團隊開辟了基于渦面結構的湍流研究新方向，搭建了從湍流理論到燃燒工程應用的橋梁，能夠精準捕捉燃燒過程中不斷變化的流動結構，并據此建立新型湍流燃燒速度模型，其預測準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)動機燃燒基礎研究隊伍的建立，有望持續(xù)為發(fā)動機燃燒領域的創(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，開展問題導向的基礎研究，并持續(xù)投入長達10年，體現了“有組織基礎研究”的鮮明特色。
面向未來，專家們建議：第一，進一步建設并充分利用湍流燃燒的重大基礎實驗設施，強化多學科交叉融合，不斷突破燃燒科學理論邊界；第二，大力推進可解釋人工智能、多尺度數據融合、圖形處理器、量子計算技術的發(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理論研究及工程驗證；第四，開展全新熱化學非平衡湍流燃燒以及湍流燃燒與熱防護一體化等前沿學科領域的研究。
對此，姚強認為，未來工程中的問題仍然需要基礎研究提供源源不斷的創(chuàng)新思想。“做實驗的學者應當和做計算、做理論的學者在一起更加緊密地開展合作。”他強調，“基礎研究不能停！”
《中國科學報》(2025-03-31 第4版 自然科學基金)（原標題：讓火焰在湍流中奔騰——記國家自然科學基金重大研究計劃“面向發(fā)動機的湍流燃燒基礎研究”）
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