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王兵：好风凭借力 展翅任翱翔

    发布时间：2020-06-05


——记清华大学航天航空学院副院长王兵教授
　　
倪海波
　　
　　
　　相信很多读者朋友都对国庆70周年阅兵仪式记忆犹新。此次阅兵仪式上，空中方队共出动各型飞机160余架，形成空中护旗梯队、领队机梯队、预警指挥机梯队、海上巡逻梯队等12个空中梯队。很多军迷聚在北京市通州区果村附近的一座天桥上，拍摄从通州出发前往天安门广场参加阅兵的飞机，直呼“过瘾”。
　　而国庆期间上映的影片《我和我的祖国》中的小故事《护航》，则以2015年9月3日天安门阅兵以及2017年7月30日朱日和阅兵的历史事件为背景，向观众讲述了空军飞行员肩负重任背后的默默坚守与无悔付出。
　　事实上，让军迷“过瘾”、让观众感动的背后，不仅仅是飞行员的默默坚守与无悔付出，更凝结着无数科技工作者的执着、心血、汗水和激情。可以说，近代飞行能力的每一次突破，都与航空发动机技术的发展直接相关。
　　早在20世纪50年代，航空发动机就已经享有“现代工业皇冠上的明珠”之称，从基础材料、工业设计到工艺方法，几乎都要达到工业中的最高要求。它强，则战机强壮灵活；它弱，则战机羸弱无力。毫不夸张地说，航空发动机是保证国家安全、彰显强国地位的航空武器装备的“心脏”。
　　作为我国从事航空发动机、火箭发动机工作过程研究的行业专家，王兵的工作无疑使这颗“心脏”的跳动更加强劲和有力。
　　
“祖国的需要就是我的动力”
　　初见王兵，惊讶于他的年轻和活力。
　　王兵的科研工作面向航空发动机、火箭发动机等动力系统的工作过程，主要开展极端条件下燃烧室的湍流两相流动与燃烧的基础与工程应用研究。他作为课题负责人，承担了国家科技工程、重点研发计划、国家自然科学基金等40多项重要科研任务，在极端条件喷雾燃烧、高速稀薄点火理论以及变推力发动机等研究中的关键技术攻关方面做出了突出贡献。主要领域影响包括：“探月工程”落月变推力发动机关键技术攻关成果及成功应用；姿控发动机基础理论及成功应用；卫星通用第二代发动机推力室关键技术及成功应用；发动机燃烧不稳定性机理及评估方法。
　　抛开面上这些看起来艰深难懂的专业名词，现实中见到的王兵，亲切、随和，接受采访时的语速不急不缓、徐徐道来，有种使人安心的温暖。这位已经在清华大学度过二十几个寒暑冬夏的青年学者，对自己的母校和所从事的专业研究有着一份特殊的情感和使命感。
　　1996年，王兵由河北省唐山市第一中学考入清华大学工程力学系工程热物理专业学习，2000年7月获工学学士学位，2000年9月保送直接攻读清华大学工程力学系工程热物理专业硕博连读研究生，研究方向为湍流燃烧与两相流体动力学。2003年获得清华大学特等奖学金，2005年1月毕业并获工学硕士、博士学位。
　　博士毕业后，王兵留在了母校清华大学工作，不久后，他获得了德国“洪堡”奖学金，赴德国慕尼黑工业大学访问研究，2年后重新回到清华大学，工作至今。
　　当时，正值清华大学航天航空学院刚刚成立，王兵所在的工程力学系从机械工程学院划转航天航空学院，这也成为王兵选择自己科研方向的一个良好契机：“我希望我能够进入到非常前沿的技术领域，去契合国家在动力领域、新型推进方式，乃至新型飞行器等航空航天领域的重大需求。”
　　很快，机会来了，被誉为“中国航天动力之乡”的中国航天推进技术研究院（中国航天科技集团公司第六研究院，以下简称“航天六院”）的相关科研人员看到王兵以往发表的学术文章，认为与航天六院以往科研过程中遇到的一些问题相吻合，希望双方合作进行更深一步的研究，这为王兵的科研方向提供了一个良好开端：“所以，我的研究一直围绕着动力领域里面的一些关键问题，比如液态燃料怎样才能雾化得更好，怎样组织燃烧才能让发动机的性能更好等一系列相关问题，这也是我们国家确实需要大力发展的领域。”
　　
潜心研究，解决技术难题
　　多年来，王兵带领团队针对航空宇航发动机燃烧室极端条件下两相流动与燃烧，针对强可压缩两相流动，超声速燃烧相关的混合、着火与火焰传播以及连续旋转爆震燃烧稳定性等方面开展研究工作，研究成果应用于发动机实际工程问题，截至2019年年底，共发表学术论文180余篇，SCI检索100篇，论文引用次数超过500次。
　　
　　强可压缩两相流动高精度数值软件——解决多项发动机关键技术难题
　　受国家科技工程、国家自然科学基金等项目的支持，面向极端以及临界条件下的两相流动与燃烧问题，特别针对火箭发动机、航空发动机、冲压发动机燃烧室内的高压喷射过程，王兵带领课题组完全自主地开发了强可压缩两相流动高精度数值模拟软件，研究解决了若干关键技术难题。
　　针对含气液界面的强压缩两相流动问题，王兵团队提出适应性变模板点WENO-IS的高精度格式，解决了强可压缩与大密度比界面相互作用模拟中的数值振荡问题，基于准守恒Gama-输运方程的界面捕捉方法结合界面锐化技术，耦合广义的刚性状态方程，成功实现了发动机内燃烧室强可压缩两相流动高精度数值模拟。针对高速发动机燃烧室中广泛存在的激波与液滴相互作用挑战性难题，王兵团队通过实验，获得了液滴初始变形阶段的几何形态与完整图谱，精细描述了液滴内部波系时空演化规律，完整系统地解释了液滴曲面反射的膨胀波聚焦导致的局部空化机理。针对自击撞击雾化问题，王兵团队根据实验数值，揭示出撞击波的产生机理及其对撞击液膜破碎的作用规律，建立了关联撞击喷射几何参数和流动参数的雾化模型。
　　上述软件与成果为工程应用提供了不可或缺的重要工具和理论指导，在发动机燃烧室燃料喷注结构设计中起到关键作用，目前主要应用于两项工作：一是针对“探月工程”落月发动机，集成燃烧模型的研究成果，成功实现了我国首次研制的针栓式发动机推力室工作过程的数值仿真，为推力室选型、推进剂匹配以及工作参数优化提供了定量依据，为我国成功研制大变推力比发动机做出了重要贡献。二是基于建立的自燃推进剂点火模型，发展了特殊环境发动机在耦合内外流条件下完整工作过程的数值模型，在其首飞前给出了成功点火和稳定工作的物理机制与条件，遥测数据与仿真结果一致，为某平台的首飞成功做出了贡献。
　　王兵团队总结基础研究获得的大量模型、算法和数据，完成了30余篇相关论文，发表在业内顶级期刊上，包括Journal of Fluid Mechanics、Physics of Fluids、International Journal of Heat and Mass Transfer和Iternational Journal of Multiphase Flow等期刊，受到了国内外同行的积极评价，发表在Journal of Fluid Mechanics、Acta Astronautica、 International Journal of Heat and Mass Transfer、Physics of Fluids、International Journal of Multiphase Flow等多篇论文均引用了王兵的研究成果，肯定了他在强可压缩两相流动方面的创造性工作。
　　
　　喷雾燃烧高精度数值模拟软件——为发动机设计提供指导和工具
　　获得稳定的液雾燃烧是发动机研制的关键，在国家科技工程、国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的支持下，王兵带领团队完全自主地开发了一套面向发动机燃烧室设计与性能分析的专门软件：“喷雾燃烧高精度数值模拟软件——TURF-Sim”，已获得软件著作权及工程转化。该软件是我国自产的能够用于各类真实发动机燃烧室多物理过程的高效仿真，可同时实现百亿网格规模、十万核以上的高效并行计算，在我国“天河二号”以及E级原型计算机群上进行了完美测试。特别指出该软件巨大的前处理功能，在面对真实复杂燃烧室构型时，仅需要分钟量级的结构体辨识和网格离散，这为工程应用提供了极大便利！
　　针对超声速混合层流动，王兵团队通过数值仿真，研究了斜激波对超声速混合层流动的作用规律，发现斜激波诱导的斜压梯度改变了不同方向湍动能分配机制，提高了混合效率。针对超声速液雾两相混合层，王兵团队基于大尺度涡的时空演化，系统分析了燃料液雾尺寸和燃料负载比等参数对着火与火焰传播过程及熄火模式的影响，发现在大尺度涡的边缘率先着火，在颗粒弥散、燃料蒸发、火焰传播及拟序结构相互作用下形成了扩散和预混等火焰形态，并出现了由强拉伸和燃料供给不足等因素导致的多种熄火模式。在氢气/空气超音速混合层中，王兵团队根据数值仿真结果，发现当剪切涡团预混气的着火延迟时间大于涡脱落时间时，会发生“局部准定容燃烧”，从而诱发燃烧不稳定性，首次提出了“第三邓克尔数”进行表征。
　　上述研究结果为超燃冲压发动机燃烧室增混与稳燃设计提供了理论依据，王兵团队在Fuel、Journal of Power and Propulsion (AIAA)和International Journal of Hydrogen Energy、Physics of Fluids等国际顶级期刊发表论文20余篇。
　　此外，王兵带领团队自主开发的大涡模拟软件以及解决的重大技术难题取得的成绩受到了国际学者与工业界的高度关注，在2011年至2019年间，王兵先后4次受到邀请，赴德国参与欧洲跨区域产学研重大研究计划“未来空间运输系统中力热高负荷部件设计技术基础科学问题”的研究。
　　
　　揭示旋转爆震燃烧稳定性机理——原理样机在实验室获得验证
　　王兵在接受采访时介绍，与基于等压燃烧的传统发动机不同，连续旋转爆震发动机具有更高的热循环效率、更加简单紧凑的结构、更低的氮氧化物排放等优点，近年来受到国内外研究者的广泛关注。自2012年以来，王兵就开始带领团队从事爆震燃烧机理及连续旋转爆震发动机（CRDE）核心机研发相关的研究工作，在科技创新基金、教育部联合人才基金等项目的支持下，开展了包括理论分析、数值模拟、实验测试等多个方面的系统研究。
　　王兵团队提出了“连续旋转爆震与燃烧不稳定性本质一致性理论”，指导连续旋转爆震发动机燃烧室的设计与调控技术。针对氢气/空气连续旋转爆震燃烧，通过一系列的实验研究，在质量流量-当量比相空间内给出了快速爆燃、不稳定爆震、准稳定爆震，据此提出了稳定爆震等四种燃烧模式的完整极限图，对确定爆震发动机稳定工作图谱具有重要意义，并揭示了快速爆燃模式的热声耦合机制。
　　同时，他们还提出了富氧空气调控方式，实现了宽工况范围的稳定连续旋转爆震，对可实现性连续爆震发动机的研发具有重要的应用价值；提出了旋转爆震组合循环发动机热力循环计算分析模型，为基于连续旋转爆震组合循环发动机的设计工作提供了重要参考。
　　针对煤油-空气两相旋转爆震，王兵团队通过数值模拟的方法获得了稳定工作的当量比、温度和压力范围，提出了煤油裂解方案，为进一步开展液态燃料旋转爆震发动机的研制提供技术参考。
　　上述工作中的基础研究成果在Combusiton and Flame、Journal of Fluid Mechanics、Energy、Journal of Power and Propulsion、Proceedings of Combustion Institute等国际期刊上发表SCI论文20篇，授权发明专利10项。王兵的这些研究成果受到国内外同行的关注，他多次受邀在国际燃烧过程大会、国际爆震推进研讨会（IWDP）等国际会议上作大会报告。
　　2018年9月，王兵担任第九届国际爆震推进研讨会（IWDP 2018）的大会主席。之后，他提出的“基于连续旋转爆震的组合循环发动机”和“一种连续旋转爆震涡轮发动机的结构形式”两项发明双双获得2018年纽伦堡国际发明展金奖，“基于连续旋转爆震的地面燃气轮机”获得2018年美国硅谷国际发明节金奖。
　　王兵在旋转爆震方面的研究也受到了产业界的关注，2018年与某科技有限公司签订合作协议，拟建立增压燃烧技术中心和爆震涡轮技术中心，继续开展连续旋转爆震发动机的研制工作，旨在将这种新型推进装置应用于航天航空领域。
　　
注重应用，促进成果转化
　　作为工程领域的研究人员，王兵最大的心愿是希望自己的科研成果能够转化为实际应用，推动我国在该领域的发展建设。因此，多年来，在从事实验室科研开发工作的同时，王兵也在致力于科研成果的落地。
　　
　　推动“连续旋转爆震发动机以及增压燃烧技术”转化
　　上文提到的连续旋转爆震发动机燃烧室技术以及增压燃烧调控技术，主要产品是连续旋转爆震火箭发动机，以及其衍生的组合动力发动机和可重复使用发动机。
　　据王兵介绍，连续旋转爆震发动机的主要特点是先进性和经济可承受性。先进性体现在自增压燃烧，这不同于当前所有航空发动机、地面燃机、其他民用动力等所采用的等压燃烧，对于发动机的结构及循环方式产生了颠覆性的变革。经济可承受性体现在核心结构部件可适应性工作，同时降低研发制造和维修支持成本，提高循环效率以及推进效率，并提升燃油经济性，降低污染物NOx排放与碳排放。
　　连续旋转爆震燃烧可应用于不同类型的发动机和动力装置，如航空发动机和地面燃机等。用于航空发动机时，可将现有近10级压气机减为3-4级，航空发动机的最关键指标推重比显著提高。涡轮输出功率相应大幅增加，可与发电装置联合工作，提供混合动力或组合动力等变革性推进方式。用于地面燃机时，可降低天然气和合成气（煤化工气）的发电成本，提高节能减排指标。用于火箭发动机，大幅降低涡轮泵等惰性质量，同等推力量级能有效提高载荷质量。
　　与火箭发动机一样，连续旋转爆震发动机涵盖了航空、航天两个领域的工作范围，王兵长期致力于研发的发动机燃烧室技术是产业链中最核心的部件，也是技术难度最高的部件产品。
　　以航空发动机为例，一台在用主流的CFM56发动机售价约为1000万美元；一台罗罗公司的Trent900发动机（新型的）售价约为3000万美元；以地面燃机为例，300MW级大致为5亿元人民币；20MW级大概为1000万元人民币。用连续旋转爆震燃烧室替代现有发动机或者动力装置的燃烧室，将大幅提高动力装置的性价比，参考现有产品的价格将有显著的性能优势，航空、航天、舰船、高端无人机等产业的潜在需求量巨大。 
　　因此，连续旋转爆震发动机燃烧室产品在产业链的最顶层，面对的是每年超过1000亿美元规模的市场：美国正在进行先进推进系统的研发验证项目，重点开发应用于各个领域的发动机“颠覆性”技术，如美国“经济可承受的先进涡轮技术”（ATTAM）项目（2016年首次公布），旨在整合与主推进、加力、主燃烧和发电相关的增压燃烧技术。从2015年起美国能源部加大了对若干所大学和公司（Aerojet 等）在该方面的支持力度，用于发展新一代地面燃机。美国Innovative Scientific  Solutions Inc.公司当前致力于开展连续旋转爆震发动机的成果转化和工程应用。俄罗斯于2017年创建的“新能源动力公司”和法国的赛峰（空客）、波兰的航空研究院等都正在大力开展连续旋转爆震发动机研发和技术应用工作。
　　自2012年开始，王兵全身心投入连续旋转爆震发动机以及增压燃烧技术的研发，他在这一项目上的科学研究与技术研发一直处于国内外领先地位，某关键部件技术具有技术独特性，拥有涉及该发动机的发明专利20余项（清华大学独享专利权）。王兵带领的团队具备连续旋转爆震发动机自主设计和技术研发能力，掌握了独特的喷注与燃烧组织方案，形成了技术优势和技术壁垒。
　　目前，团队自主设计的发动机点火超过1000次，获得了国家多项基金的资助，王兵应邀在第五届全国爆震与新型推进大会、第六届和第七届国际爆震推进研讨会、第23届国际燃烧过程大会等多个国际性学术活动上作报告，他的成果引起了国内外同行的广泛关注。
　　让王兵欣慰的是，随着项目研究进展，越来越多的产业界开始关注到这一项目组的研究成果，并陆续和项目组签约合作研究项目。目前，已经有社会资本为项目团队投入研发资本超过2000万元，越来越多的横向产学研合作项目也正在落实中。
　　
　　加速“连续旋转爆震发动机”工程转化进度
　　我国在连续旋转爆震领域的工程转化起步较晚，王兵在从事连续旋转爆震燃烧机理与发动机工程化研制过程中，充分调研了国际专业领域的研究进展与比较优势，集聚了国际顶尖科学家的智慧和经验，走出了一条与众不同的发展道路，在短短三年内就迅速成为国际上举足轻重的研究力量，他的研究工作先后被美国航天航空年鉴American Aerospace in Review多次报道。
　　王兵带领团队，以氢气燃料的连续旋转爆震燃烧作为研究切入点，制定了与美国、欧洲不同的研究路线，直接面向工程化迫切需要解决的两个关键问题——点火起爆与稳定性传播——开展攻坚克难研究工作，通过逾千次的点火实验，获得了基于流量和当量比的发动机工作图谱，为发动机的工程化提供了路线图，并独立自主研制出一套实验室原理样机，以及发动机实验测试所必需的实验台架。
　　在这个过程中，作为项目的总指挥，王兵邀请到国际顶尖学者Piotr Wolanski 院士作为实验室的合作顾问，还招收了Wolanski院士指导的研究生进入实验室攻读博士学位，并与波兰华沙理工大学签订了合作协议，他出色的沟通能力和卓越的领导艺术，使各方的研究优势在项目中充分发挥出来。 
　　自2013年起，Wolanski院士每年访问王兵的实验室，传授心得，指导实验工作以及一些部件的设计。通过与外方学者的合作，王兵带领团队不断扩展研究方向和研究深度，还衍生了在安全防护领域的两项中国专利和欧盟专利。
　　除此之外，王兵团队多次组织了围绕“爆震推进”为主题的系列学术研讨会，来自美国斯坦福大学、密歇根大学、马里兰大学、佐治亚理工大学、辛辛那提大学、匹兹堡大学、波兰华沙理工大学、韩国釜山大学、日本名古屋大学、日本青山学院等院校的20余位国际同行先后访问实验室，充分探讨了爆震推进相关基础研究的关键点以及未来发展路径。国际顶级专家John Lee教授先后两次造访实验室，共同探讨爆震物理基础研究进展。
　　这些集聚国际优势力量的合作，促进王兵带领的实验室团队形成了既博采众长又独具特色的研制道路，敢于攻坚克难，取得关键技术突破。
　　在此期间，王兵也多次访问了欧洲ENSMA、普瓦捷大学、波兰华沙理工大学和图卢兹流体力学研究所等研究机构，充分了解“国际队”的进展，捕获研究灵感，在推动实验室走向国际、引领国际研究方向等方面做出了实质性工作。 
　　2017年，王兵带领的团队在法国进行申办陈述，获得了国际同行的一致支持， 赢得了2018年在中国举办“国际爆震推进研讨会”的机会，进一步提升了实验室的国际影响力。 
　　2018年7月，在首次举办的“美国硅谷国际发明节”上，王兵带领的团队不负众望，其提出的连续旋转爆震动力系统斩获金奖。
　　
言传身教，关注学生成长
　　从1996年第一次踏入清华大学的校门，时光如水，光阴似箭，从本科到硕士、博士，再到留校任教，不知不觉，王兵已经在清华园里度过了二十几个春秋。 
　　从本科时代的班长、学生会主席，到历任研究生班党支部书记、清华大学研究生会副主席、清华大学研究生团委副书记、清华大学博士生报告团团长，再到任教后承担多门专业课程的主讲老师，王兵一直保持与学生之间的密切联系和接触。
　　学好自己的专业课程，毋庸置疑是学生时代的王兵最重要的任务。留校任教后，在中国最好的高校里教中国最好的学生，在这个从学生到老师的角色转换过程中，王兵的体会和感触有了更高的提升：“首先，在专业知识方面，要帮助学生打好基础；其次，在实际能力方面，要锻炼学生具备解决国家重大需求或者工程急需前沿问题的能力，也包括创新能力、合作精神等；最后，引导学生‘发现’自己的兴趣，树立为国家某一个行业或某一个领域贡献自己力量的志向。”
　　留校后，王兵承担了“航空宇航推进理论”“航空宇航工程全过程设计”“发动机结构与系统设计”“火箭发动机”“航空宇航推进的数值模拟”等专业核心课程的教学工作，坚持教书育人，承担“双肩挑”的人才培养工作。他先后获得北京市青年教师教学基本功大赛三等奖，清华大学青年教师教学大赛一等奖，清华大学青年教师教学优秀奖，北京市、清华大学教学成果奖一等奖等多项教学荣誉和奖励。
　　作为一名大学老师，王兵高度重视学生培养，在课程教学方面形成了一套独特的方法，鼓励学生创新，培养学生动手能力。同时，王兵于2018年出版了由他编著的《航空宇航推进理论》教材，受到业内读者的高度评价：“覆盖的知识点全面系统，章节安排清晰合理，航空和航天领域的推进理论及系统均有所涉及，并对前沿技术进行展望。作为航空航天推进领域长久以来都非常缺乏的一本全面性教材，尤其推荐推进相关专业本科生及研究生将其作为教材使用，特别推荐航空航天其他领域的专业人员将其作为推进方面的参考用书。”
　　因材施教是王兵在教学过程中非常关注的一个重点。他在采访中说：“对学生来讲，要引导他们确定学习目标，然后根据学生树立的目标，尽可能给他们匹配相应的资源。”他解释说，这里的“资源”是指广义上的资源，比如帮助学生进行知识上的储备，或者给学生提供国外实验室的进修机会，或者其他实验室的实践机会等，“需要多与学生交流和互动，了解他们的发展目标和想法”。
　　王兵是这样想的，也是这样做的。
　　在深化教学内容、拓宽国际视野方面，王兵先后在2009年和2015年分别开设了“航空宇航推进理论”和“航空宇航推进数值方法”两门课程，这两门课分别以航空宇航科学研究的数值方法和基础理论作为教授目标，帮助低年级研究生开展研究工作打下基础。在保证掌握基础知识的前提下，王兵瞄准国际研究前沿，将国际上最新的研究方法和主要结论深入浅出地展现在课堂上，为此，他在课前精心准备，自主编写课程讲义并印发给学生。此外，王兵还非常注重对学生国际视野的培养，在北京国际航展期间，他组织了选课的同学参加国际航展，了解国际最先进的航空航天产品，激发他们的科研热情。 
　　在创新教学方法、鼓励动手实践方面，王兵认为，除了保证课程内容的“精良”，教学方法也会对课程效果产生显著的影响：“研究生的培养不能局限于纸面上的知识，学生动手能力的培养也是十分重要的。”因此，王兵十分注重教学方法的提高和创新。除了课堂上讲授航空宇航实验方法，他还组织学生深入到实验室，在高年级研究生的引导下进行实验，亲身体验实验带来的乐趣，激发学生的科研兴趣。
　　在团队建设方面，王兵也同样遵从着“因材施教”“因人而异”的原则。他坦言：“作为一个团队，有些老师擅长实践动手，喜欢带学生去做实验，去解决一些工程项目，还有些老师非常善于做基础工作，做理论推导。”对于一个团队整体来说，建立起多层次的人员配合，辅以有效的管理方法和机制体制，凝聚在同一个目标下，才能让每个人都充分发挥出自己的特长。王兵的管理方式使他成功打造出一支精良的科研团队，也使他更有信心和动力去挑战学术理论和应用领域的待解难题。
　　“清华园像是一片蕴涵着无穷生机的森林，这里的阳光雨露使我无论在求学还是工作的道路上，每一步都吸收到充沛的营养。”王兵如是说。
　　
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