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【科学时报】五十五载一路艰辛一路辉煌

文章出处:扑克王app官网 人气:发表时间:2021-02-08 05:14

  2011年3月1日,中国科学院工程热物理研究所将迎来55周年华诞。回首研究所55载风雨历程,可谓一路艰辛,一路辉煌。

  研究所的前身是成立于1956年的中科院动力研究室。55年的发展历程,虽然在历史长河中只是匆匆的一瞬间,但对于我国叶轮机械和工程热物理学科的发展来说,却是在不断书写着传奇、发展和创新。

  1954年,叶轮机械三元流动理论的创立者——一代宗师吴仲华先生历经艰险回到祖国的怀抱,从此开辟了中国叶轮机械科学研究的新纪元。

  1956年3月1日,中华人民共和国高等教育部和中国科学院联合发文成立“中国科学院动力研究室”。

  1961年2月,根据国家“缩短战线、调整机构”的要求,动力研究室合并到中科院力学研究所。

  1963年,国家科委批准成立中国科学院工程热物理研究所,终因各种原因未能组建。

  历经55年发展,研究所已建设成为在能源、动力和与之相交叉的环境等领域开展应用基础与高技术研发有机结合的战略高技术研究所。一直以来,在不断应用和发展工程热力学、内流气动热力学、燃烧学、传热传质学等学科的同时,解决能源、动力和与之相交叉的环境领域中的基础性关键问题和高技术核心问题,为我国的社会、经济发展作出贡献。

  上世纪40年代末,随着战争的结束和经济的复苏,航空工业受到前所未有的重视。针对航空发动机中压气机和涡轮两类叶轮机械内部的三维黏性非定常流动问题,吴仲华发表了一系列重要论文,提出了“径向平衡”、“通流理论”,创造性地建立了叶轮机械三元流动理论,得到国际学术、工程界的一致认可,称其为“吴氏通用理论”,其主要方程被称为“吴氏方程”。通过建立两类流面模型,将当时无法求解的十分复杂的三维流动分解为相互关联的两类流面上的二维流动,使其求解成为可能。

  同时,年轻的吴仲华敏锐地意识到,必须借助刚刚问世的电子计算机,用数值计算来进行分析和设计,并作为国际上系统从事工程数值计算方法的开拓者之一,摒弃当时分析叶轮机械内部流动普遍采用的孤立翼型方法,首次获得了考虑叶片之间相互作用及参数沿径向变化的内部流场,对提高叶轮机械的设计水平、促进航空发动机和燃气轮机的发展都起到了里程碑作用。

  吴仲华创立的两类流面理论将丰富的想象力、清晰的物理概念、严格的数学演绎和方便的工程应用完美地结合在一起,全方位地体现了工程科学之美。

  早在动力室成立的1956年,吴仲华建立了使用任意非正交曲线坐标系与相应的非正交速度分量的叶轮机械三元流动基本方程组,将三元流动理论发展到了新的高度,并由此创造发明了一整套亚、跨、超声速计算方法与计算机程序,相关成果荣获1956年度中国科学院自然科学奖二等奖、1982年度国家自然科学奖二等奖、1987年度中国科学院科技进步奖一等奖,至今一直被叶轮机械设计、制造及研究部门广泛应用。

  此后,在国家一系列重大基础研究计划的持续支持下,三元流动理论逐步得到完善。国家攀登B类项目“能源利用中的气动热力学前沿问题和新设计体系的研究”、“973”项目“高效洁净能源—动力系统及热—功转换过程内部流动的研究”及“燃气轮机的高性能热—功转换科学技术问题研究”,都在叶轮机械黏性三维非定常流场计算、激波边界层相互作用、流动稳定性预测及主动控制以及气固两相流动研究等方面取得了一系列突破性成果,为叶轮机械设计、分析和优化作出了突出的贡献,相关成果荣获2002年度国家自然科学奖二等奖。

  研究所在不断丰富和发展叶轮机械三元流动理论的同时,也推动了世界燃气轮机设计体系的飞跃发展。

  早在1969年,原动力室就研制了国内首个200千瓦燃气轮机,涡轮采用可控涡设计,首次采用压气机进口节流以减少耗功。

  1977年10月,吴仲华向国家提出了关于斯贝航空发动机改装为舰用和工业用燃气轮机的建议并被接受,得到支持。通过首先对低压压气机切顶设计,再在切顶的压气机前加零级以增大流量,并适当提高燃气初温。经过8年的艰苦攻关,原理样机在设计流量、压比和效率等方面都达到了预定指标,输出功率达到15000马力,满足了海军提出的要求。整个研制过程是三元流动理论在国内的成功实践,为我国自主研制燃气轮机奠定了很好的技术基础。

  进入21世纪,研究所在继续作好基础理论研究的同时,进一步将基础研究的优势和成果与高技术研发密切结合,推动燃气轮机部件和原理样机的研制。

  作为主要单位参加了科技部“863”计划燃气轮机重大、重点项目,在燃气轮机关键部件及系统集成的基础问题研究方面发挥了不可替代的作用。

  近年来,在中国科学院知识创新重大和重点项目的支持下,研究所正在开展低热值燃料燃气轮机、小型涡扇发动机、特种车辆用地面燃气轮机及新概念发动机的研制工作,廊坊基地开始构建的微小型燃气轮机关键部件及整机的研发试验平台有力地支撑着研究所的高技术研发工作。通过这些项目的研究,使我国燃气轮机研制整体水平明显提高,缩小了与发达国家的差距。

  三元流动理论不仅在燃气轮机研究中发挥了重要作用,也不断地被拓展至其他通用叶轮机械。1960年完成流量范围宽广的国内第一个整体铸造的后弯出口离心压气机叶轮;1979年完成性能达到同期世界先进水平的舰船用CZ系列涡轮增压器;1986年成功研发催化裂化装置烟气轮机;1997年进行以提升效率为目标的国内火电站老汽轮发电机组改造等,这些研发成果分别荣获多项中国科学院科技进步奖和2000年度国家科技进步奖二等奖。

  叶轮机械三元流动理论,不仅适用于内流叶轮机械的高效设计,也同样适用于外流叶轮机械的创新研制。创新三期以来,研究所开展适用于我国低速风况的风电叶片专用翼型设计,已建立了具有自主知识产权的大功率叶片设计与研发体系。

  1980年8月14日,吴仲华在中共中央书记处举办的科学技术知识讲座上作了《中国的能源问题及其依靠科学技术解决的途径》的报告,首次提出了不同品质的能源要合理分配、对口供应,做到各得其所的综合梯级利用。该报告对我国能源动力发展的相关决策一直起着指导作用。1988年,吴仲华主编的《能的梯级利用与燃气轮机总能系统》一书,全面阐述了“分配得当、各得其所、温度对口、梯级利用”的科学用能思想。

  基于总能系统的思想,研究所从上世纪80年代中期开始在中国推动IGCC的发展,并于90年代初向国务院和中国科学院提交了“在我国发展IGCC的建议”。依托国家“八五”IGCC攻关专题、国家基础性研究攀登B项目及国家“九五”攻关项目的持续资助,全面发展了吴仲华的总能系统理论,为进一步研究IGCC、分布式供能及多能源互补利用奠定了坚实的基础。

  “十五”期间,研究所完成国内首座IGCC/煤炭联产系统的工程示范,实现了我国煤气化联产发电系统零的突破。

  “十一五”期间,作为“863”重大项目“以煤气化为基础的多联产示范工程”的依托单位,全面开展IGCC/多联产关键技术和系统的研发和推动工程示范工作,并在连云港市建设初具规模的IGCC关键技术研发基地。相关成果先后获得中国科学院自然科学奖二等奖、石油和化工协会科技进步奖一等奖、山东省科技进步奖一等奖和国家科技进步奖二等奖。

  以总能系统理论为指导,研究所积极开展以冷热电联供为主的分布式供能系统研究和示范工作,研发分布式供能系统的动力单元技术和优化集成方案。

  “十一五”期间,研究所全面参加了科技部分布式供能系统研发及示范的“863”项目,支撑建设了4个具有典型地域特征和冷热电配置类型的示范工程。研究所开展的中低温太阳能热化学燃料转化研究,首创性构建了5千瓦槽式太阳能驱动甲醇重整制氢一体化实验台,开拓了国际上中低温太阳能与替代燃料互补的燃料转化新方向,验证和完善了中低温太阳能品位提升的能量释放机制。

  研究所主持的“973”项目“多能源互补的分布式冷热电联供”,针对太阳能与化石燃料互补发电、风能利用、储能、动力及系统优化集成方法等开展一系列基础性研究,该成果荣获了2009年度国家自然科学奖二等奖。

  目前,研究所的储能技术研发受到多方面关注,相关地方政府和企业正在积极准备建设储能技术机构和产业园,使多能源互补的分布式供能技术发展跃上新的台阶。

  20世纪70年代,研究所针对国家科委提出的“提高劣质煤燃烧效率”发展问题,开始了循环流化床燃烧技术的研究。经过近40年发展,研究所先后在多项国家科技攻关课题及国家示范工程建设项目的支持下,形成了独具特色的循环流化床燃烧技术专利群。

  研发了系列高参数大容量的循环流化床燃煤锅炉,并进行了工程示范和应用,性能参数从超高压再热、亚临界到超临界。合作产品销售占有国内2/3以上的技术市场份额,实现经济效益40多亿元,2009年度首次实现了150兆瓦等级循环流化床锅炉的技术许可出口。

  近年来,研究所进一步拓展了循环流化床技术的应用领域,建立了年处理万吨烟煤或褐煤的双床热解气化中试装置;开发了12~25兆瓦不同等级的生物质燃烧发电锅炉,并投入商业运行;研发了城市污水污泥干化焚烧技术和固体热载体快速热解粉煤提油技术。国家发改委批准了研究所同上海发电设备成套设计研究院共同建设“国家清洁高效煤电成套设备工程中心”,为研究所在该方向的后续科技创新活动拓展了空间。

  此外,研究所还探索了能源梯级利用和资源循环利用、城市固体废弃物处置与综合利用及城市大气污染全过程控制技术。

  在城市生活垃圾处理与综合利用方面,研究所开发了一整套处置和综合利用技术,如垃圾填埋气消纳及利用技术、垃圾填埋气生产二甲醚技术、循环流化床垃圾焚烧技术、湿解制肥和垃圾处理与综合利用技术、燃(焚)烧尾气循环流化床净化技术及低污染排放和高效能源转换焚烧技术等。这些技术得到成功推广应用,其中某些技术直接服务于2008年北京奥运会,荣获“科技奥运先进集体”奖,为实现绿色奥运的目标作出了积极贡献。

  研究所坚持“人力资源”为第一资源的理念,努力加强人才培养。建所之初,也即工程热物理学科创立之时,针对国内工程热物理专业人才匮乏的现实,站在发展国家新兴学科的高度,主动承担起为国家培养专业人才的重任。

  一是吴仲华先生面向国内行业专家开办全国性的叶轮机械三元流动理论学习班,并将计算程序包无偿赠送,以推动国内整体力量和水平的提升;二是研究所派送多批科研人员赴苏联、英国、德国、捷克等国家学习;三是在承担科研任务中加强人才锻炼和培养。

  以上措施,为国家培育了大批工程热物理学科的专家、学者,其中多人已成为国家科技建设的栋梁,涌现出10多位中国科学院院士和中国工程院院士,由此带动了全国高校和产业部门相关工程热物理系或专业、研究所或研究室的创立,在全国范围内形成了一套完整的工程热物理教学和科研体系。

  一个研究所的生存与发展绝不是孤立的,除搞好自身建设外,还需要一个能够实现良性互动的社会、合作共赢的业界乃至一个有利于持续提升研究所学术地位的国际交流和发展环境。

  研究所历来注重国际合作与交流,先后与20多个国家和地区的相关科研机构、高校、企业等保持着长期稳定的联系。自1982年获得第一项国际合作项目——联合国开发计划署援助项目“建立燃烧与热能利用中心”以来,研究所国际合作经费额和项目数不断攀升。

  研究所以显著的科学成就和贡献,在国际学术舞台奠定了稳固的学界地位和学术威望,研究所及一批专家在诸如美国机械工程师学会、国际吸气式发动机会议等国际重要学术组织中担任重要职位,众多国际学术组织邀请研究所专家出席学术会议、交流考察和作为组织成员。

  同时,研究所也通过搭建各类学术交流平台促进交流,先后发起了国际能源系统热力学分析与改进学术会议、国际内流气动热力学学术会议、亚洲及太平洋地区国际燃烧及能源利用大会、亚洲热物理和流体科学研讨会等国际学术会议。

  1978年创办了中国工程热物理学会,现已成为国际吸气式发动机学会、国际传热传质学会、国际燃烧学会等国际学术组织的中国代表,学会会员达5000余人;1989年创办了北京热物理与能源工程学会,厂会协作、科技咨询和举办国际及国内学术会议,是其开展交流与合作的重要形式;创办的《工程热物理学报》、《热科学学报》进入了SCI、EI检索期刊序列,成为国内外学术交流、传播科技信息的重要平台。

  55年来,研究所积极为国家宏观决策提供咨询建议,对重大科学问题发表学术见解与评议,有效发挥了国家科学思想库作用。通过组织不同形式、层次和规模的研讨会,针对能源、动力和环境领域的科技发展趋势和国家需求,以院士、领域方向带头人为核心,组织撰写科技咨询或调研报告,在战略层面上推动国家能源和动力领域的科技进步。

  建所之初,以吴仲华为首的科研团队就积极参与国家科学技术发展远景规划的制定,其中,“能源梯级利用”、“发展燃气轮机及联合循环”和“发展洁净煤技术”等建议已被广为采用,证实了研究所科研人员的前瞻性思维和远见卓识。近年来,研究所牵头完成了10多项涉及国家能源和动力发展的咨询报告、发展路线图和政策建议,有些得到了党和国家领导人的重要批示,多数建议已经成为科技部、能源局、工信部和基金委部署项目的重要依据。

  自1956年动力研究室成立以来,一直重视基础平台建设,瞄准能源动力领域的前沿性重大学术问题,以平台建设为先导,数值分析和实验研究并重,致力于工程热物理学科基础问题的求解、关键技术的突破和系统集成的创新。为了探索跨音速压气机内部流动问题,研究所率先在国内建成了3兆瓦的跨音速压气机实验台;为了总结对转涡轮的设计方法和内部流动机制,研究所建成了国内第一台短周期对转涡轮实验台;为了解决循环流化床燃烧过程的关键技术问题,研究所建成了较为系统的流化床燃烧、热解气化、污泥干化焚烧及生物质燃烧等系列实验台。

  近年来,研究所在中关村发展空间受到限制、不能满足科研需求的情况下,抢抓机遇,与河北廊坊、江苏连云港和北京延庆等地签订了科研基地建设协议,为研究所的发展拓展了空间。

  目前,廊坊研发基地已完成基本建设,并构建了以轻型动力综合实验、双床热解气化和中低温太阳能综合利用为代表的基础研发平台;连云港能源动力基地已开始加压密相输运床气化中试装置和全温全压全尺寸燃烧室实验台建设;以国家能源风电叶片研发(实验)中心为载体的延庆基地也将开始建设,初步形成了中关村园区科研办公、廊坊基地综合实验、连云港和延庆专业实验的格局。

  研究所不断加大投入并整合所内资源,努力建设国家级或省部级重点实验室、工程中心。2008年,结束了研究所没有重点实验室的历史,经批准先后成立了先进能源动力、轻型动力和风能利用(与电工所共建)三个中国科学院重点实验室;能源局批准建设“国家能源风电叶片研发(实验)中心”和发改委批准建设“国家清洁高效煤电成套设备工程中心(联合)”。以中关村物质科学大型仪器区域中心建设为契机,研究所已建成国内一流的宏观物质过程及能量转换研究平台。

  经过几代人的艰苦努力和不懈奋斗,研究所逐渐在IGCC/多联产、循环流化床、分布式供能与可再生能源、燃气轮机等四个支柱方向和温室气体控制、高强度换热等两个重点方向上奠定了独具特色的国际地位和国内优势地位,初步具备掌握核心技术、形成具有知识产权的重大系统集成创新和系统解决方案的能力。

  目前,研究所现有职工242名,其中,中国科学院院士2名,研究员32名,副研究员64名。具有国家“动力工程及工程热物理”一级学科博士与硕士学位和环境工程二级学科硕士学位授予权,设有国家博士后流动站,在站博士后14名,在读博士生98名、硕士生116名。

  面对新的历史征程,研究所将以中国科学院“创新2020”为契机,在能源、动力以及与之交叉的环境等领域中,针对低碳技术和节能减排开展科技创新工作,在各级领导和各界朋友的支持和帮助下,在研究所全体员工的共同努力下,去争取更加辉煌的业绩。

  工程热物理研究所走过的55年,是解放思想、大胆探索、勇于实践的55年;是深化改革、克难攻关、不断发展的55年。传承历史谱新曲,励精图治铸华章。回首研究所的昨天,我们激情澎湃;审视研究所的今天,我们豪情满怀;展望研究所的明天,我们信心倍增。

  当前,全体工程热人正以新的姿态迎接新的挑战,实现新的跨越,谱写新的篇章。工程热物理研究所的未来一定会更加美好,更加辉煌!

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