第八卷 力學
第39章 概況
力學是研究物質在力的作用下運動和變形規律的一門科學。它以研究天然的或人工的宏觀對象為主，也涉及宇觀或細觀甚至微觀各層次中的對象及有關的規律。中國科學院的力學研究工作以應用力學研究為主並重視基礎研究。各研究部門首先注意國防和國民經濟建設的需要，同時也注意發展學科前沿和新的學科分支。其主要工作是用近代力學的理論與技術，解決工程技術中提煉出的力學問題，並將其中帶有基本性的問題在運動規律和機理的高度上加以解決，為工程技術提供設計思想和設計依據，推動工程技術的進步。力學的應用麵很廣，如航天與航空、機械與化工、交通運輸、能源開發與利用、水利與礦山建設、地震與土建工程、材料與冶金和化學工程、農牧業、環境保護、安全和防護等方麵，都有大量的具有重要意義的力學問題。工程技術的發展，不斷向力學提出新的要求，從而促進了力學研究的發展。同時力學與其他學科相互滲透，形成了一些新的分支學科，如物理力學、磁流體力學、多相流體力學、爆炸力學、滲流力學、化學流體力學、岩體和土的流變學、斷裂力學、疲勞損傷力學、計算力學、天體物理流體力學、生物力學等。
中華人民共和國建立以前，中國沒有專門的力學研究單位。一九五三年，在中國科學院數學研究所（簡稱數學所）內組建了力學研究室，進行固體力學和流體力學的研究。一九五五年秋，錢學森回國，在他的主持下，研究並確定了以應用力學為主並重視基礎研究的基本方向，於一九五六年一月在北京正式成立了中國科學院力學研究所（簡稱力學所）。由錢學森任所長，錢偉長兼任副所長。以錢學森、郭永懷、錢偉長等為首的一代力學家，對該所的建所思想和科研方向有深刻的影響，對它的學科體係結構與學術風格起了奠基和引導的作用。
中國科學院工程力學研究所（簡稱工程力學所）是中國科學院在工程力學方麵的專門研究機構，所址在哈爾濱。該所原稱中國科學院土木建築研究所，一九五二年籌建，一九五四年正式成立，由劉恢先任所長。該所的前身是中國科學院長春綜合研究所土木建築研究室。建所初期主要從事建築材料、地基土壤、工程結構和建築設計等方麵的研究工作。一九六二年，由於研究方向的變更，土木建築所改稱工程力學所，主要從事地震工程學、核反應堆結構力學和岩土力學等方麵的研究工作。一九八四年，工程力學所改由國家地震局領導，主要集中於地震工程的研究，小部分力量研究其他工程動力學問題；同時，劉恢先改任名譽所長，由胡聿賢繼任所長。
一九五八年以來，中國科學院在一些分院地區也先後組建或改建過幾個力學方麵的研究機構，如華東力學研究所、中南力學研究所等。隨著工作的開展，這些單位分別進行了調整。其中，中南力學研究所於一九六二年改建為中國科學院武漢岩體土力學研究所（簡稱武漢岩土所），陳宗基任副所長。該所專門從事岩土力學基本性質及其在工程中的應用研究。華東力學研究所成立於一九五八年，在一九六五年進行了調整，科研人員分別調入其他科研單位。一九五七年開始籌建滲流力學研究機構。一九六○年在中國科學院蘭州地質研究所（簡稱蘭州地質所）內建立了滲流力學研究室，郭尚平任主任，專門從事滲流力學和滲流物理的研究。一九七八年以後，該室獨立組建為中國科學院蘭州滲流力學研究室（簡稱蘭州滲流力學室）。一九六○年中國科學院動力研究室合並於力學所，至一九八○年從力學所抽調人員和設備另建了中國科學院工程熱物理研究所（簡稱工程熱物理所），吳仲華任所長。一九五八年在中國科技大學內設立了近代力學係和化學物理係，錢學森、郭永懷分別兼任係主任，培養力學人才並進行科研工作。此外，在技術科學與地學等研究機構中也進行了力學方麵的研究工作。
從五十年代後期起，力學研究的主要任務是配合航天和核工業部門進行噴氣技術等有關力學問題的研究，進行了高速氣動力學、固體力學、爆炸力學、燒蝕、傳熱及燃燒等項理論與實驗研究工作；在解決國家經濟建設中提出的重要力學問題方麵，陸續開展了地震工程、大型水工建築岩基、工礦企業邊坡的穩定性、石油滲流、工程爆破、地麵沉降、振動與減震、爆炸加工、結構強度分析以及核反應堆結構力學等方麵的研究和實驗；結合較長遠的需要，為發展學科前沿和新的分支學科進行了基礎性的研究工作。從七十年代後期起，轉為主要配合國民經濟建設進行重要力學問題的理論和實驗研究。除繼續進行上列力學問題的研究外，還開展了斷裂與疲勞損傷力學、大型工程土岩基礎性質、安全和防護工程、物理化學滲流，地球物理流體力學，天體物理流體力學，生物流體力學，環境流體力學，多相流體力學，低溫等離子體技術及其應用，流動激光及其應用，材料的力學性能，海洋工程等方麵的理論和實驗工作，同時有選擇地開展了基礎研究和應用數學的研究，並繼續根據國防工業部門的需要，進行了專項研究。
三十多年來，中國科學院的力學研究工作為國防和國民經濟建設作出了較多的貢獻。在噴氣技術、核爆炸、常規武器、能源、海洋工程、機械與交通、水利和礦山、石油資源開發等方麵開創性地完成了一批工作。對一些重要力學問題，在深入探求其機理和規律方麵也取得了不少成果。在學術刊物上陸續發表了科學論著，其中一九八○年至一九八四年有700餘篇，有的科研項目在獨創性和係統性方麵達到國際水平。在國內較早地開展了一些力學新分支學科的研究，拓展了力學研究和應用的廣度和深度。同時組織力量進行了專用試驗設備的研製，開展了在超音速風洞、激波管風洞、小型火箭發動機試車台、岩土動三軸儀、電弧風洞，以及瞬態力學參數測量、固體力學測量、爆炸衝擊測量、岩土力學測量、流場顯示、微觀滲流的實驗觀測等儀器設備方麵的研製工作，有不少在中國起到了先導的作用。
多年來，中國科學院的力學研究單位為工業部門輸送了一大批力學專業人才。力學所成批調整出的已有600餘人，主要有：一九五九年為開展探空火箭等方麵的研製工作，抽調楊南生等40餘人和分院的有關力學所的一批科技人員支援工業部門，一九六一年將水動力學方麵的科技人員和部分實驗設備調給航海科研單位；一九六六年抽調胡海昌、閔桂榮等近百人籌組了人造衛星本體研製單位，後又調給航天工業部門；一九六八年從事噴氣技術研究的林鴻蓀、程世、錢福星等400餘人及相應的實驗設備，調給了航天及航空工業部門；一九七○年又抽出部分高速空氣動力學方麵的科技人員，調給了航天工業部門。此外，還陸續個別地調出一些科技人員。以上數百人中，很多人已成為所在科研單位的骨幹力量。
第40章 流體力學
一、高速空氣動力學
20世紀五十年代，由於航天技術的需要和推動，高速空氣動力學獲得了迅速發展。力學所在錢學森、郭永懷負責並具體指導下，建所初期即以""上天""為背景，開展了高速空氣動力學的研究。根據飛行器研製和科研發展的需要，力學所堅持這方麵的工作已達三十餘年，為中國航天飛行器的研製陸續提供了有關氣動力、氣動熱、燒蝕防熱、再入目標特性及通訊中斷等方麵的關鍵數據和一些基本計算方法，並為學科的發展作出了貢獻。
在理論計算與理論研究方麵，六十年代初期開始，林同驥負責的研究室承擔了針對彈頭和彈體氣動力及氣動熱的若幹應用研究課題，進行了設計計算方法的研究，其研究結果已提供給設計部門采用。卞蔭貴等進行了彈頭防熱技術中邊界層傳熱和燒蝕理論等問題的分析研究，為工業部門提供了實用的鈍頭體湍流傳熱、燒蝕模型和相應的分析計算方法，對高超聲速鈍體繞流進行了一係列數值模擬，並分析了底部流場；在高速邊界層的研究方麵，七十年代在原有的參考焓方法的基礎上，提出了局部等屬性近似方法，這在工程計算上是有效的。六十年代中期，結合高速飛行器燒蝕防熱問題，力學所研究了增強材料熱解、蒸發、化學反應以及有化學反應和質量引射情況下的邊界層計算方法，對解決防熱問題具有重要意義。吳承康等在對飛行器回地過程的軌道、氣動力和燒蝕特性等進行分析研究的基礎上，向工業部門提供了回收方案的具體建議。一九六七年，高智提出無粘流與邊界層相互幹擾的理論模型，同時提出了一種簡化納維爾-斯托克斯（Navier-Stokes）方程組，並與中國科學院計算中心（簡稱計算中心）合作研究了方程組的數學性質和數值解法。在跨聲速流研究方麵，七十年代，林同驥用保角變換與流線攝動法給出的跨聲速區最佳喉道型線設計方法，已經廣泛采用於風洞、工程噴管、氣動激光等方麵。在燒蝕機理的研究方麵，對燒蝕表麵溝槽花紋形成機理做出了較好的解釋和分析，具有實際意義。力學所還在氣體潤滑分析研究方麵，為氣浮陀螺提供了計算方法和設計資料。錢福星等在細長組合體三維不定常的理論方麵，將二次理論推廣到三維非定常流的研究，為設計部門提供了計算和實驗資料。在稀薄氣體動力學方麵，沈青等對氣溶膠粒子的阻力、熱泳、濃度、跳躍、擴散滑移等參數的計算方法作了改進。如對阻力係數的計算，同時考慮了稀薄效應、慣性效應和分子在表麵的反射機製，給出了濃度跳躍係數分子運動論的計算方法。
在高速空氣動力學實驗研究方麵，力學所的工作也是有特色的。在郭永懷主持下，較早地做出了方向性判斷，以小的投資發展風洞設備，以較多的力量研究實驗技術與方法，使中國的實驗研究趕上了時代的需要。實驗手段主要包括下列幾項：
（一）1.2米激波風洞，是中國發展最早、性能完善的激波風洞，由俞鴻儒等設計研製，能運行在高焓、高馬赫數或高雷諾數之下，具有良好的實驗段流場質量。經過多年的努力，能進行模型表麵熱流、表麵壓力分布、自由飛測力、快速天平測力、光學流場顯示等實驗測量。
（二）1米高超聲速脈衝風洞，按炮風洞運行具有長達30毫秒的試驗時間，按激波風洞運行則具有高馬赫數、高雷諾數性能，並在中國脈衝風洞中首先使用了型麵噴管，其自由飛行動態試驗技術和天平技術，已卓有成效地應用於氣動力和飛行穩定性研究方麵，並已成為高速氣流傳熱實驗研究的主要設備之一。
利用上列兩項主要設備，七十年代中期以來由俞鴻儒負責的科研集體開展了高速湍流邊界層傳熱、分離流、高超聲速飛行器氣動力和穩定性實驗研究。在高速湍流邊界層傳熱方麵，實驗研究了表麵粗糙度對邊界層轉捩和對熱流率分布的影響、凸起物對流場的幹擾、不同形狀底部的熱流等，並給出了設計估算方法。在高速氣動力方麵，取得了飛行器高馬赫數壓心實驗結果與氣動特性，實驗研究了影響飛行器穩定性的因素，為設計部門提供了關鍵數據和設計依據。
此外，力學所還根據國防醫學的需要，研製了生物激光管，並在衝擊波的生物效應的研究中，取得了滿意的結果。
（三）電弧加熱器。六十年代開始，由吳承康負責的研究集體進行了電弧加熱器的研製與試驗工作。經過多年努力，研製成1兆瓦電弧加熱器等裝置，並對電弧特性及其穩定性等進行了研究。開展了等離子體診斷技術的實驗研究，進行了高速飛行條件下防熱材料燒蝕的模擬試驗，為工業部門陸續提供了材料抗燒蝕性能的實驗數據。七十年代後期又提出利用火箭發動機噴焰進行燒蝕實驗的方案，與有關部門合作，給出了實體結構防熱性能以及材料燒蝕、抗侵蝕性能的實驗分析結果，為設計部門提供了重要數據和設計原則。
（四）力學所研製並裝備有：1兆瓦高速、高焓、低密度等離子體風洞和低密度高超聲速電弧風洞，可進行再入等離子體環境實驗；自由飛彈道靶，用於再入體尾跡和高速碰撞的實驗研究；直徑800毫米的高溫激波管，研究高溫下氣體的多種物理化學過程以及電離和輻射等力學和物理特性。七十年代以來，為高速飛行器的材料燒蝕性能、結構防熱性能、再入通訊中斷問題、再入飛行器回收問題等，提供了一批模擬實驗資料，為有關設計工作提供了依據。
（五）在高超聲速流方麵，力學所建有馬赫數從1.6到4的20×20平方厘米的超聲速風洞。這是五十年代中國首批設計的風洞之一。經過不斷調試，具有良好的流場質量，能進行天平測力、光學流場顯示和動穩定性導數測量等。用此設備進行了超聲速流的基礎性試驗，並曾為工業部門提供初步選型的實驗數據。
（六）力學所的力學測量有兩個突出的特點，首先是著重瞬態力學量的測量。結合脈衝式的高運行參數（如高速、高溫、高壓、高應變）的力學實驗裝置使這一類測量技術得到很大的發展。例如結合激波管、激波風洞、爆炸實驗、輕氣炮等的需要，研製和發展了不同條件下使用的壓力傳感器、溫度傳感器、薄膜輻射熱探測器以及動導數測量、光網測速等技術。其次是重視新技術在測量中的應用，例如激光技術用於流場測量和顯示、用於固體表麵位移測量等，先後發展了激光幹涉儀、激光散斑和全息設備、激光多普勒測速儀、激光雙焦點測速儀、微波條紋幹涉儀等。其中激光多普勒測速儀和幹涉儀都已得到推廣應用。還研製了大流量衝擊式分級采樣器，用以監測大氣環境汙染等。
二、物理化學流體力學
五十年代後期開始，力學所進行了化學流體力學的研究；六十年代開始進行了小型火箭發動機和高速飛行現象的研究和實驗。近十幾年來，力學所對非平衡、有化學反應、有輻射場效應的氣體動力學和多相氣體動力學進行了研究。這方麵的應用工程背景很廣。
（一）小型火箭發動機的燃燒、傳熱等問題的實驗研究。五十年代後期，力學所在錢學森指導下，林鴻蓀等開展了火箭發動機的研究試驗工作，先後對硝酸-苯胺、液氫-液氧和固體燃料的小型發動機有關問題進行了試驗研究。六十年代初期建立起小型液體火箭發動機試車台及其相應的測量和控製儀器。開展了以硝酸為氧化劑的燃燒室性能試驗，測得了不同燃燒室幾何參數和工作條件對燃燒效率與低頻振蕩頻率的影響。
一九六一年至一九六六年研究試驗了小型液氫-液氧火箭發動機的有關問題。在燃燒方麵研究了燃燒室設計準則，取得了燃燒室尺寸、噴注器形式、混合比、燃燒室壓力等對燃燒室性能和穩定性的影響等結果。在傳熱方麵研究了超臨界壓力下湍流對流換熱有關問題，並提出了小型燃燒室冷卻夾套的設計計算方法等。在試車技術方麵，解決了液氫輸送係統的隔熱、液氫閥門的工作性能等一係列低溫技術，研製了液氧、液氫流量及燃燒室性能參數等測量儀器。上述研究成果，一九六六年以後移交給工業部門。
一九六四年至一九六六年進行了小型固體火箭的設計計算和試驗研究工作。在實驗室試驗研究的基礎上，還進行了初樣的發射試驗，取得了基本可行的結果，於一九六七年將全部結果移交給工業部門。
（二）再入物理現象。六十年代後期開始，在郭永懷指導下，力學所開展了高速飛行器再入大氣層物理現象的研究工作，除進行氣動力和氣動熱方麵的研究外，並對飛行器再入時的光、電等物理特性進行了分析與實驗研究，為工業部門提供了理論計算與模擬實驗的結果。七十年代後期以來，針對再入時通訊中斷等有關問題，進行了相應的分析計算和實驗工作。力學所卞蔭貴等研究分析了高速飛行器等離子體鞘套及尾跡中的非平衡流場，對等離子體鞘套采用了層流湍流粘性激波層模型，對不同高度提出了一套計算流場參數及其電特性的計算方法和結果；並分析了尾流的散熱、輻射、電子密度等，給出了實用的計算方法和數值結果以及相應的光學和電學特性。吳承康等幾個研究組陸續進行了一係列實驗研究（如多種防熱材料燒蝕產物對電波傳輸的影響，高溫空氣輻射傳輸和電特性，薄層等離子體電波傳輸特性，燒蝕邊界層的光譜診斷等），並為減輕等離子體鞘層內電子密度實驗研究了可能的途徑，對多種方案根據實驗和分析研究的結果給出了評價，為工業部門提供了依據。
（三）非平衡氣體動力學與氣動激光技術。利用超聲速膨脹氣流的非平衡過程及由此產生的粒子數反轉態，已經成了產生大功率連續激光的一種手段。為此，力學所研究了噴管非平衡流的微觀動力學，以及用流體力學去處理層流混合、湍流混合、邊界層等對激光增益和出光質量的影響，並且研究了輻射場與流動激光介質之間的相互作用。在理論研究方麵，力學所解伯民等陸續發表了一批論著，主要包括：分子激發多光子過程的統計分析，流動化學激光的分子動力模型與增益反常飽和規律，流動激光的弛豫過程模型，電激勵激光的增益特性與輻射場分布，電子能譜及非軸對稱光學共振腔穩定性普遍條件等方麵的分析結果；還編寫了《氣動激光技術》、《激光物理》專著。
在實驗設備研製方麵：一九七○年開始進行燃燒式二氧化碳氣動激光器的研製。七十年代中期先後研製成流量為1千克／秒和10千克／秒兩台裝置，連續輸出功率分別為1400瓦和30000瓦。這兩項設備，當時在國內是先進的。此後利用這些設備進行了實驗研究並應用於燒蝕實驗。另外，七十年代開始研製橫向電激勵流動二氧化碳激光器。經過多年的改進，至八十年代初期達到連續輸出為1-2千瓦，持續時間4小時以上。利用它進行了內燃機缸套、鑽杆、葉片等的表麵處理，板材和特殊材料的切割和焊接等加工應用研究，並已推廣到幾個工業生產部門，取得了經濟效益。同時，開展了利用激光增強光電流效應檢測微量雜質的研究，取得了初步結果。
（四）多相氣體動力學、燃燒空氣動力學和其他方麵。八十年代開始，力學所開展了多相氣體動力學等方麵的實驗研究工作。在含粉塵的氣動力學方麵，俞鴻儒等研製了豎直灰塵激波管和相應的揚灰與測量儀器，並對含灰氣體的激波結構、駐點傳熱以及粉塵點火等進行了實驗和測量，獲得了凍結、平衡和鬆弛區的參數以及熱流率方麵的實驗和分析結果。由吳承康領導的研究組在煤粉鍋爐的燃燒和節能方麵，進行了中小型鍋爐無油少油點燃技術的研究，其成果已推廣應用。大速差同向射流預燃室獲發明專利。扁平射流和偏置射流的穩燃方法及其裝置均已申請了發明專利。水煤漿燃燒技術研究已達到國際上同類技術水平，特別在燃燒工藝方麵有獨創。其偏置射流預燃室、直流型低壓霧化噴咀、冷爐冷風起動，均屬國內外首創。