申功炘教授一生的心血與積累：流動顯示與測量技術及其應用

2020-12-05 科學出版社

這是一個苦難又精彩的世界，值得我們奮發和奉獻，也永遠值得欣賞和回味。

申功炘

（1938.3-2015.3）

中國實驗流體力學全流場觀測理論及技術

的探索者和創始人

流體力學是一門古老而又依然充滿生機的基礎學科。大禹治水是人們尊重自然、解決洪災的美好傳說；經過近幾個世紀的努力，形成了基本完備的流體力學理論體系；然而湍流問題依然是經典物理遺留下的世紀難題……

由於流體力學研究對象——流體（如空氣和水）大多均勻透明，流動形態不可見，人們總是力圖使其可視化，以便能達到對流動的觀測和理解。因而流體力學的進展幾乎和流動顯示不可分割。流體力學的發展史、流體力學的重要發現和突破及在工程應用和設計的理解和啟發都離不開流動顯示，足以見證流動顯示在流體力學領域中的重要地位和作用。許多重要進展，無不與流動顯示，新的觀測方法和技術的進展相關。

流動現象

流動顯示是一個學術名詞，已經有數百年的歷史，但實際上人類早就從自然界的觀察中開始認識流體的流動現象，如從美麗的景色所看到的水的流動和旋渦現象，古老的建築上就有波浪和旋渦的圖案。

實驗流體力學用觀察和實驗方法研究流體行為，是流體力學研究方法學上重要的分支之一。實驗流體力學是流體力學的基礎，很多基本概念的提出、重要定律的獲得以及理論體系的建立來源於流體實驗的支持。如雷諾1883 年管道流實驗發現轉捩現象，提出了兩種不同的流動狀態「層流」與「湍流」及其「轉捩」的概念；普朗特1904 年水槽實驗觀察到邊界層與分離現象，提出「邊界層」 的概念；著名的卡門渦街理論也由馮· 卡門通過分析普朗特的博士生卡爾觀測圓柱體後面的流動實驗結果而獲得的。

層流、湍流分離流動顯示示意圖

流體測試技術是現代實驗流體力學發展的關鍵，涉及流體力學、光學、傳感、計算機技術、圖像處理、數據信號分析等多個學科。新技術的應用，極大地帶動了流體測試技術的進步，也為實驗流體的發展帶來了機遇和挑戰。現代流體測試技術的發展，已使我們對流體運動有了更深刻而全面的了解。其技術實踐的發展歷程經歷了從定性到定量、從宏觀到微觀、從大尺度到微納米尺度、從單點到全場、從後處理到在線實時、從抽象到直觀，並仍在不斷地探索前進中。流體測試新技術的發展牽引著流體力學的新發現，也檢驗及驗證流體力學其他研究的預測和應用。

流動顯示從最古老的方法，到不斷發展的各種各樣的方法，引進了很多高新技術，從顯示外觀到顯示流體內部流動，從定性到定量，實現所謂定量化流動顯示。現在被作者稱之為「全流場觀測」（Full flow field observation & Measurement, FFFOM）技術，實現了既定性又定量，既具全流場觀測又具點分辨力的觀測技術，乃至今日已成為當代流體力學全流場觀察和測量最接近理想和實用的手段，也成為揭示非定常複雜流動特性和機理最重要的方法和途徑。

申功炘教授

申功炘教授是中國實驗流體力學全流場觀測理論及技術的探索者和創始人，傾其一生致力於流動顯示與流場測試技術的發展。1960 年，申功炘從北京航空航天大學（原北京航空學院）畢業並留校從教於應用力學系。1982 年，他有幸得到陸士嘉、莊逢甘、文傳源和吳耀祖先生的推薦和指導，經選拔考試成為改革開放後第一位赴美國加州理工學院航空系的訪問學者，參加了由H．Leipmanm D、Coles A．Rochko、吳耀祖以及P．Dimotakis 等教授組織的人工湍流邊界層流動結構特性和機理的實驗研究以及當時最先進的流場內部結構PLIF 雷射片光測試技術的研發等，了解到了實驗流體力學的精深和當時實驗流體研究的前沿。回國後，1985年起歷任北京航空航天大學流體力學研究所副教授、教授、博士生導師。

申功炘教授和普朗特的邊界層速度型實驗水槽模型合影

普朗特1903年的水槽實驗，用微小粒子流動顯示方法觀察到邊界層和它的分離現象，是最初對邊界層的理解，是實驗流體力學的裡程碑，此水槽模型陳列在德國哥廷根宇航院（DLR），圖為作者和水槽的合影。

申功炘教授的貢獻和成就表現在多個方面，如：創新性設計和實現了中國風洞現代電子控制和測量技術及應用；開創性提出和探索了全流場觀測理論、技術及應用；開創性開展了仿生實驗流體力學的研究。為我國航空航天、空間科學、流場儀器商業化、科研管理以及海外科技等領域培養了多種複合型人才。一生最有代表性的成就是實驗流體力學全流場觀測的理論、方法、技術以及應用基礎的開創性探索。發表論文120 餘篇，合作著作5 部，獲國家發明專利2 項，獲各種部級科技成果獎10 餘項。曾擔任《力學進展》常務編委，《實驗流體力學》編委等。主辦國際會議，擔任各種國際學術會議學術委員會主席、副主席、委員等。

申功炘教授，早在2010 年體檢查出肺癌，他沒有把病情告訴任何人，自己默默承擔下來，堅持本書稿（《流動顯示與測量技術及其應用》，申功炘, 康琦著. 北京：科學出版社,2020.11）的寫作，直到生命的最後時刻，為他所熱愛的事業鞠躬盡瘁，將自己一生的心血與積累凝聚在本書中。2015 年3 月1 日，他走完了他坎坷的、探索的、執著的、也是浪漫的一生。正如他自己所說：「這是一個苦難又精彩的世界，值得我們奮發和奉獻，也永遠值得欣賞和回味。」 按照申功炘教授留下的願望，我們整理完成了這本書稿，又撰寫補充了書稿後面幾章內容，奉獻給實驗流體界的同行和同學們。

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非常榮幸與我的老師申功炘教授共同完成本書的出版，完成申老師的心願。感謝申功炘教授的各位學生共同工作的貢獻，特別是段俐研究員後期對書稿大量的校對、編輯和整理工作；感謝申功炘教授的夫人羅又華女士對完成本書給予的全力支持。

康琦

2020 年6 月

本文摘編自《流動顯示與測量技術及其應用》（申功炘, 康琦著. 北京：科學出版社,2020.11）一書「前言」，有刪減，標題為編者所加。

ISBN 978-7-03-064852-5

責任編輯: 趙敬偉

本書從流體運動的基本理論、流體測量技術的基本原理以及圖像處理技術和數位訊號分析的基本原理出發，系統介紹流線、跡線、染色線、時空尺度分析等基本概念，定性的流動顯示技術（直接注入法流動顯示、表面流動顯示方法、光學流動顯示法、雷射空間流動顯示等），定量的全流場實驗測量（雷射誘導螢光技術LIF、表面壓力PSP 及溫度測量TSP 技術、紅外測量技術、粒子圖像測速技術PIV），並給出大量相關測量技術的應用及例證。內容覆蓋了對流體壓力、速度、濃度、密度、溫度、自由面及界面形變等關鍵物理量測量技術的發展及實現。希望通過本書，能夠讓各位學者體會實驗流體力學發展的歷史性、繼承性、多學科關聯性以及具有的廣闊拓展性。新技術的迅猛發展，流體測試技術的不斷突破，必將促進人們對流體運動規律及機理的深刻認識和理解。

本書對流體力學相關專業的科研人員有參考價值，亦可作為本科高年級學生及研究生的教材及教學參考書。

（本文編輯：劉四旦）

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