北大教授陈耀松：我的黄金三十年（下）

（本文转自赛先生）

1984年—2014年是我人生中的“黄金三十年”。前十五年，自我1984年从国外（美国MIT）学习归来开始算起，到1999年我71岁退休结束。这期间，除了承担校内的教学任务外，我还做了一些技术科学方面的工作，主要是在科技界和教育界推行计算机化，推动钱学森先生的“力学必须与计算机计算相结合”的战略安排。退休后十五年，从2000年开始算起，到2016年我最后一位博士姜哲完成学业。退休后，我依然做课题、带学生，以CFD（计算流体力学）方法为主，承接科技生产中遇到的计算难题，辅导学生完成课题，在实践中培养学生的能力。在承接实践项目的过程中，一般都有新的困难要解决，解决困难的过程中收获的经验，我和学生写成论文去发表和交流。

下篇：

技术科学工程化实践（2000-2016）

从2000年开始到2016年我的最后一位博士姜哲完成学业，是我黄金三十年中的后十五年，此时我已退休。在这后十五年中，我以CFD方法为主，辅导组织学生承接科技生产和工程建设中遇到的计算难题，培养学生面对新挑战、解决新难题的能力。由此收获的经验，我们写成论文去交流和发表，并联合“甲方”即项目来源方共同申报研究成果奖，这为大批师生在发展和掌握技术科学方面积累了丰富的实践经验。

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一、退休后的研究队伍和课题来源

退休后，我为何依然致力于推广和实践技术科学？

1998年清华校庆，刚到二校门，王义遒副校长从清华西门走来，相见第一句：“老陈，你能不能暂不退休？”他咋知道我到年龄了？1952年院系调整时，我俩都从清华调整到北大，但不在一个系，也不是一个年龄段的人。到北大后，他当领导（常务副校长），我是小老百姓，交集在何处？想必在三线的时候，我是全校批判重点，大字报都归我。我不认得他，他可认得我。从三线分校迁回北京后，我们力学系归他管。我对工作意见提得多，他没法办，少不得要琢磨我这个人，所以才知道我该退休了。

那年我正70，赶上改革开放有点自由，我得乘机再多干两年，就脱口而出：“好啊，我的研究生还未毕业呢！”其实，何止是研究生的事儿，当时改革开放，各业兴旺，工作多了，需要解决的问题也多了。经常有老朋友给我介绍工程问题，要是能参与其中，特别是国家迫切需要解决的技术科学问题，岂不是改革开放以前梦寐以求的好事？现在机会来了，我年龄又到了，能再给我“宽限”几年多好！校长替我想到了，但说说容易，要在批准我推迟退休的文件上签字就难了。当时以各种理由要求推迟退休的教员太多了，要批了我，别人呢？

王校长一阵思考后，签下文件，增聘我一年。其实对我来说，退休后唯一的变化，仅在于不能再招研究生了。结果增聘半年时，正逢暑假招新生，我发现自己的名字已从导师名单上删除了。总之，白高兴一场。但凭心说，王校长、林（建华）校长跟系主任苏先樾教授商量，“能否你们出面招生，招了请陈老师指导？”校长的办法比较高明，我退休时，几位领导都在千方百计为我找“生源”，除了两名特批自费博士生外，王校长还主动找几位有招收研究生资格的同事，如陈国谦、李植，还有转任院领导的孙智利等，都将以CFD名义招来的研究生给我带。就这退休后十五年，进来我CFD组的研究生不断，而指导的导师除了我，还有从计算中心转来的我组的老学生安亦然（以前跟我读完的CFD研究生），以及那帮高年级师兄。我安排给新生的课题大多由老生辅助，师兄们自然成为第一轮“导师”。

以上是我退休后这十五年的师生队伍组成。现在来讲我选择的课题“计算流体力学（CFD）”。其实我做的是力学，至于为什么选力学，我写过短文《力学、力学家与信息时代》。我上学，学工科、选力学专业，最后向往技术科学，与家庭出身、战争、科技、时代等因素有关，不细讲了。

1948年，我转学考入清华土木系，除英语外其余满分。当时考的题目多数是力学类，所以我自以为我的力学水平不差。因为是读完三年再转学，许多课都免了，空闲时间多了，我就去科学馆旁听低年级的数理课，比如闵嗣鹤先生的高等数学和周培源先生的理论力学。听后才知道，原来我熟悉的那些公式是有前提的。要用它们，必须先问“连续性”和“惯性系”等。为此，我重新自学范氏大代数、柯朗微积分。考为研究生后，我又选了彭桓武的数理方程和江泽坚的复变函数。听得入神，数学真妙！

以后凡是要动手做的事情，我一定先“算”。譬如，我曾参加摄影组，兴趣主要在照相机。工农兵学生要毕业了，系领导要我为大家照相。当时只有135相机和胶卷。毕业照要求“大脑袋”，正好黄筑平老师从家里带来几个长焦镜头。我用旧塑料管，按镜头焦距割断，接在相机的机壳上，正好用于拍毕业照。完成底片后，尚需每人给五张。当然不能深浅不同，我就单独设计一个电子曝光定时器。我又从照相器材店买来相纸边角料，塞进一张按五下，然后胶卷进一格，再按五下。相纸经显影定影后发给同学，每人一条。照相能成功，处处要计算。塑料管长度要计算，定时器内的电阻电容搭配要计算，任何一点“失算”都会导致失败！

除了做事前喜欢先动脑计算以外，我还始终保有强烈的好奇心。只要遇到不甚了解的新事物，我便暂记在心中，以期佳遇。“想不通”，数学上叫不“闭合”。越是生性好奇的人，想不通的事就越多。当遇到一件新鲜事物时，我总想知道原因，好奇必然好求。后来做了导师，我总建议学生：“当你工作累了，要出去休息前，你一定选个尚未想通的问题再走。吃饭想，走路想……”当然，就想那些与力学有关的问题。

有时一个很小的问题，我也会记很久。当年出国，看到多数中年妇女爱穿高跟鞋，鞋跟不是很高，但非常尖，“应力集中”，这要是被踩到，可受不了。后来回国发现，国内妇女也爱穿高跟鞋，只是后跟更为宽大。我心想，这鞋一定很重，挂着两个“秤砣”走路不累吗？但我又不敢问，就成了一个疑问留在心中。再出国时，我逛廉价广场打发周末，远远看见地上有两堆中国制造男女鞋，一刀两双，随便挑，赶紧拿起一双高跟鞋看个究竟。啊，原来这“大后跟”就是热水瓶上的软木塞，很轻，难怪没有女同胞喊重。

每次破解难题都能让我感到兴奋，而且说不定今后什么时候就能用上。在三线时，学校附近有多处正在开发的地下工程，都要用到爆破。袁老师常带着仪器去测爆破时的震动强度。那次是813工程，与四川开放的814工程一样，要用炸药在山中开挖一个非常大的“广场”。测振电子仪器本身非常精巧，受不得强烈震动，咋办？当时我即建议，用两只大车轮内胎，充上一半气放在地上，上面铺一块平板，放电子仪器，果然有减震作用。我这想法从何而来？还不是夏天常见孩子围着一只轮胎在水潭中嬉闹，当时就联想它的多用途。

我经常用旧相机照特种相，譬如，摄制冲击波的闪光照相，我就用旧相机机壳和镜头，两者之间用一段单独设计加工的塑料管连上，效果很好。要做到这点。必须精通照相机几个部分的工作原理到能精确计算的程度。其他的科技理论计算也一样，大型的计算，必须应用商品程序。如果各处都从头做起，就没法完成任务，工作量太大了。但你必须懂得商品程序每一块的功能和它的局限性。

在解决问题时，如果不能一口气算成，就分析矛盾在哪里？先设法把他解决，其他部分照用。比如，我们在协助计算低温等离子注入器时，发现计算电磁流体力学的软件CFD-ACE+不容许计算区内有导电体。可是这个软件还要用，就只得算前按“趋肤效应”的理论修改这导体。还有一次，遇到能计算多相流的软件算不了水中喷气时，我们按水的真实弹性将程序内的参数作了修改，结果就算成了。

这些都是我自己在技术科学上的一些实践经验。凡是跟我学的学生，在起步阶段都会“这一套”，此后不少人都有很大的成就。在国内倡导发展技术科学的代表人物是钱学森，它发轫于“应用力学”，他说“应用力学就是用数学帮助解决工程中的问题”，对这句话可以有不同的理解。以我个人的实践经验和对行内状况的了解，以工程需要来找数学方法是正道。要不钱学森怎么会说“做二级近似是傻瓜”。所以，上技术科学课，数学做到能解决问题的地步，就可得满分，余下的是“电子游戏”，可以做，但不计分。

总之，要想做好技术科学，至少需要掌握在物理界已经掌握的数学方法，才能解决一般工程中遇到的难题。

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二、攻关国防专项课题

这后十五年中，我组完成了几个重要课题。

计算流体力学（CFD）这一专业首先服务于军需。北大清华归北京市委管理，与军方接触机会少，师生教研的论文课题大多只得从文献中找。改革开放时，领导明确提出“寓军于民”，但长期形成的人际关系不是一纸命令就能改变的。而我个人曾有三年在航天部工作的经历，因此结识了几位军工老人，在“寓军于民”的名义下，通过他们帮忙联系，获得过几个军工课题。

1. 协助西安试飞院完成客机数据计算最重要的一件是TU-204客机的计算工作。当时，西安试飞研究院从民航转手得到数架俄罗斯研制的双发动机中程客机TU-204，需要改作军用。但没有相关的技术资料，要改造就必须先补充这些资料。西安试飞研究院周自全副院长提出，由国人自己来算。他拟在北京设置科研合作站，利用北京的高校人才促进院方的科技水平。而军方坚持委托俄罗斯的生产方来算。由于改造经费由军方提供，只好按军方意见办，为此花一千万元美金委托俄方完成。只是，周院长从试飞院拿出一百万元人民币委托北大也来算。双方计算都完成，放在一起比较，结果是我们的计算胜过俄国。周院长的设想是利用北京的人才促进我国自己的科技水平，这看来更合乎国情。（具体情况参见“赛先生”：《北大力学老教授的“蓝天一梦”》一文）。

这样的情况后来在高速列车计算中再次碰到。国家要进步，首先领导要有自信，否则何时能独立！

2002年，一款正在研发的新型导弹遇到了出水破损问题，原因不清。缩比模型试验进行多达1000余次，仍无所得。为此，急需数值模拟专家的帮助。国家最大的气动力学研究中心-29基地，主要职责是研究航空航天中的流体力学问题，对潜射导弹出水破损这一问题表示无能为力。航天部科技委主任庄逢甘教授建议将此项数值模拟研究委托北大进行。问到我，我说：“我不一定能解决，但既然国家需要来找我，我一定干。”

2002年7月28日，庄逢甘教授带领一院一部四位老总来我实验室，我们为这个任务开了一天的会。时任副校长林建华代表北大参加，陈十一代表北大数值模拟中心参加，还邀请了交大、中大的力学系主任，浙大和华工流体力学所所长，以及702所研究出水入水问题的权威陈九锡教授，国内水动力学方面的实力人物几乎都来了，他们都答应“随叫随到”。

一天的会议主要是介绍靶场试验情况，讨论造成破坏可能的原因。最后，一院表示，可以出资先设立一个探索性的研究课题，兄弟院校则表示，可以派研究生来北大共同工作。当时林建华代表学校表示，全力支持这项国防研究工作。我说自己退休多年，没有助手，希望学校接收刚回国的张武来协助我完成这一任务，林建华也当场批准。时过三个月，其间一院与我们联系多次，中山大学则两次打来电话询问是否需要派人，唯有北大毫无动作，引进张武的事情也因有人反对而作罢，庄逢甘先生建议开展的“出水问题”只能等待时机再启动研究。后来张武落地上海，在高性能计算与应用、计算流体力学等方向开展教学、科研和人才培养等工作，组建了一支技术科学研究团队，也成为我开展技术科学工作的合作团队之一，最终一院的任务却因力学系不支持而无法进行。

六年后，庄逢甘先生因为这一问题尚未解决，就委托中科院力学所郑哲敏先生帮忙。力学所为此登报招聘二位博士。当时我组有五位硕士要毕业，我将其中两人的毕业论文给郑哲敏先生看，他看后第二天力学所就改招硕士，将这两个学生要走。他们二人在郑哲敏和梁乃刚老师的指导下做实验和计算，提出解决方案，成功解决了这一国防课题，郑哲敏大喜。2014年，他以“水下发射高速水动力学问题研究”为题在中国科学院院士大会数学物理学部第四届学术报告会上进行报告，介绍了在前人工作基础上发展而来的水下发射全过程的计算模型和模拟方法，并从空泡稳定性、空泡溃灭与流动控制三个方面报告了研究取得的成果。

2001年，我经毛鸿羽同志介绍，帮航天三院计算“干扰舵”一次成功。以前他们只会用炮风洞实测。当时，航天三院一位科技研究室领导张红文在观看时提出：“我请北航计算的弹壳分离报告，我看不懂，你帮我看看。”我看了计算程序后告诉他：“这程序是错的”。北航根本没有算出来。张红文当即要我帮忙，说：“我只有审批20万的权力。陈老师能否帮帮我”。他是北航毕业的，以前我们不认得。我说：“你要是相信我，我给你算，我不在乎钱。”

就这样，我们开始协助航天三院进行弹壳分离计算。我发现，按三院弹壳分离计算，靠初速度分不开，不现实。我们反复追问下，才知壳内预装“高压气体”。更正后，内外熵不同，计算工作量大增。既然答应帮忙了，只好硬着头皮算完。三院很重视，计算期间，三院老院长王建民带着四位年轻小头目亲自来看。年轻人曾在内地实飞，凭以前的电影记录说计算的分离过程与记录相同。

这款新型导弹获国家特等奖。大约两年后，张红文升任三院副院长，带着装备部毛凯部长（就是负责仿制马斯克4000公里/小时的高速洞内火车的那位）及其他下属来拜望李佩、郑哲敏等老师，并随身带来长期合作合同的草稿（后因我得不到北大支持而搁置）。此后张红文升任航天科工集团老总，接着又调任安徽副省长、合肥市委书记。他过年总给我发微信拜年。

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三、解决工业生产难题

1. 微电子（发展半导体产业的旁观者）

微电子是一门新兴学科，主要研究半导体器件物理、功能电子材料、固体电子器件，超大规模集成电路的设计与制造技术、微机械电子系统以及计算机辅助设计制造技术等，长期以来，我国微电子方面的研究一直以来与国际先进水平存在较大差距，为此，国内有条件的大学都非常重视该领域的教学、科研、人才培养和团队建设。

北京大学在微电子研究方面已有较好的工作基础，但也存在不少技术问题。想当初还是制作印刷电路板的年代，杨芙青院士陪同王阳元院士（微电子所所长）来找我。其中一个技术问题是加大压力未能加快刻蚀，何故？当时我提醒，应该加大反应液体的浓度，而不是压力。

我们参与微电子行业的研究，就是从与北方微电子集团合作开始的。当时北方微电子集团正在研制一种低温等离子体刻蚀机，要先用高频电流（微波）将气体进行电离，生成等离子体，使用等离子体轰击晶源表面，完成化学反应。

这个过程的数值模拟非常复杂，原本由北方微电子集团与清华大学合作进行，清华大学每次去北方微电子只讲低温等离子体理论，很少涉及如何进行仿真计算，因此一直得不到实践所需要的尺寸。后来他们自己采购了国外专门进行这种计算的分析软件，但仍旧算不好。

此事让北方微电子上下非常着急，他们向软件供应商求助，供应商建议他们来北大找我商讨。我以前没有接触过这类问题，但愿意研究。我带领几名研究生花了很大的精力研究国外软件的计算方法，发现了这个软件计算时采用的物理模型有它的局限性。最后，我找到当年自学《电动力学》中的“趋肤效应”一节，对线圈进行修改，再算成功。北方微电子对此非常满意，专程邀请北大共同申请获得了国家科技进步二等奖。

2. 高速列车（跑龙套）

2007年我国决定自制高速列车。清华大学由顾秉林校长亲自带领十位院士十位教授去铁道部争取课题。当时铁道部委托清华核算自制列车的空气阻力。这一列车除“受电弓”按国内供电线增高外，其余全部仿照“新日铁”。因为清华没有气动力专家参加，会后便委托北航沈士团校长找我帮忙计算。

我组高速列车的气动计算完成验收时，铁道部的老总第一句话：“我见到这个计算结果时眼睛一亮。”清华卢院士则说：“这样的结果可以报奖。”话都“好听”，实惠没有。我们所计算的这“独立设计”的高速列车外形实是仿照国外的，唯一改动的是“受电弓”。我们算出它的气动阻力占全车的14%。这个问题“严重”，铁道部马上找法国Alston公司修改，Alston转托美国EXA软件公司，而我正是EXA公司的Mentor，我们计算用的软件正是EXA公司的产品。铁道部不找我却要找外国，原是“外来和尚好烧香”。整个计算给了50万。清华扣了20万交给北航，北航再扣20万，余下10万给北大。参加计算的是我的“自费”研究生，我得为他们向学校缴纳17.76万学费。总之，除了两顶“算得好”高帽子以外，我还得赔上7万元。

这一课题算完，马上就要“科学奥运”了，铁道部直接找来北大，希望将津京高铁的列车气动阻力算一下。当时就有朋友提醒不宜“跳开”清华，正好我的两个学生被力学所要走赶做军工。我有理由解释说“很抱歉，我没有计算列车的人了”。于是铁道部只好再找清华。

这次真是赔本挣吆喝，好在接着来机会了。听说能申请开发高铁基金的学校仅两家，清华和浙大。浙大校长就住在我边上，我瞒着清华去找他，“你们浙大出面去申请，拿大头。我们拿小头，技术我负责”。这是我组唯一一次拿到“大基金”，最后经费没用完，余下的上缴。

高铁气动力计算对当时的中国来说是新鲜事物，以前的火车速度低，对气动外形没有什么特别要求。但是高速列车速度很快，超过了二战时期的飞机，为了减阻，为了安全，必须对列车的气动外形进行研究。当时国内依靠技术谈判引进了第一批高铁，其中包括基于德国技术开发的380A车型，这种车型时速可达380公里/小时，是当时国内最快的高铁。国内主要的高铁车厂希望能掌握这种车型的气动特性，以及列车会车和进出隧道时的气动力特征。

通过这次高铁气动力的计算，铁道行业了解了数值模拟对高速列车的重要性，后续一大批学校和科研机构采用这类方法对高速列车的气动力进行研究，为我国高速列车快速发展提供了强大的技术支撑。（最近报道《全球速度最快的高铁CR450动车：试验时速高达450公里》的作者孙振旭即为当年参与研发的研究生之一。）

3. 电厂空冷

发展生产必须有电力。我国基础差，只得火力发电先行。西北有煤但没有水。中国突出的问题是以空冷代替水冷。我系孙天风教授为适应建设需要，发展了建筑（实验）空气动力学。以后由顾志福教授继承并开发了电厂空冷的实测模拟技术。当时，任务比较多，顾志福建议我们用计算方法来代替。

计算不必制作模型，当然快。一般建筑空气动力学我们会（我们曾与顾老师合作完成“首都博物馆”的风力载荷计算）。至于电厂空冷，它的不同在于有个大型冷却交换器，必须将它换成一个建筑模块。它的外形与实物相近，内部透气阻力以及“换热量”的效果与交换器的出厂数据一致。顾老师专门来找的一个原因是，任务必须在一个月内完成。当时我与安亦然亲自动手，按“冷却器”的技术数据设计了一个气动计算模型，在计算机上用CFD计算，达到冷却器各项技术指标。然后，就按当年计算“首都博物馆”那样制作电厂网格，不过加上单独设计“冷却器”模块。这次的计算要求不是“力”，而是冷却效果。在一定的大气条件下，要是达不到冷却指标，电厂将自动“跳闸”。在工业区如果遇到突然跳闸，各方损失将超过一个亿。我们仿真计算的价值在于，根据气象预报事先算出电厂是否会跳闸。如要跳闸，则事先通知大家提前做好断电准备，以避免突然断电的损失。

这项计算对我国西北电厂建设贡献很大，算法系由我们设计。事后我听说法国某大学曾承接由我国委托国外公司转去的空冷计算。他们设计的计算模块是一块实心的固体，物理模型不正确，无法得到正确结果。

当时国内电力企业对CFD和数值模拟的作用与功能还不是十分了解，但通过其他手段又无法满足电厂工程设计和环境评估等一系列紧迫的需求，所以只好听从顾志福老师的建议，找我组研发数值模拟。

国内第一家吃螃蟹的是山西的河曲电厂。当时他们要投建一期六台60万千瓦的发电机组，同时规划二期六台60万千瓦机组，空冷设备制造厂家为德国的GEA公司，它是当时世界上最大的空冷设备制造商。河曲电厂设计规模大，比世界上第一家空冷电厂——南非的马丁巴电厂大了一倍，且地处山区，周围环境较之马丁巴复杂很多，而马丁巴电厂投产后就因为环境风冷不足造成电厂的跳闸事故。因此GEA要求工程设计单位必须做好环境风对电厂运行影响的研究工作，根据研究结果提出工程设计的各种参数。我们把事先研究好的物理模型应用到河曲电厂上，结果很成功，不仅获得了电厂在全年各个季节不同温度和不同风力风向作用下电厂汽轮机的运行背压，而且为电厂的安全运行和成本控制提供了非常重要的技术数据。河曲电厂研究的一炮而红，我们的名声不胫而走。

由于当时正是国内经济飞速发展的阶段，各行各业对能源电力的需求特别旺盛，而北方缺水，各地又纷纷上马电厂，空冷技术成了必需品，结果全国各地的电力设计院都来找我们对他们的设计工程进行数值模拟计算。包括西北电力设计院、华北电力设计院、中南电力设计院等，都经常把空冷电厂的数值模拟任务委托给我们，我们先后为陕西、山西、内蒙古、新疆等多地三十几家电厂的空冷设计提供了数值模拟服务。这些工作不仅为电厂带来了安全和经济效益，更让我们没想到的是，由于我们的大量工作积累了海量的空冷设备设计数据，已经大大超过了GEA等国外厂商掌握的数量。国内电力行业设备制造商根据这些数据，设计出更适合中国地理环境的空冷设备，这些企业逐步占领了国内的空冷市场。在这个过程中，我们的技术科学研究与应用工作起到了很大的助力作用。

4. 航磁探潜“消除飞机干扰”是一个国际难题，我们解决得比国外好。最初，我们仅是受人委托，而对此技术一无所知，只好重温物理电学开始设计。根据法拉第定理，感应磁应该与速度有关，于是去磁干扰公式中应该包含飞机速度这一项。至于速度影响有多大？则采用“数据驱动”方法进行实测。89年一开始我们就不用“补偿线圈”，全用数值补偿方法，成功。94年我们在胜利油田测出新的储油区（该区曾用地震法测过）；04年我们又在青岛替甲方测出水下物体。我们的方法通过甲方验收，但并未采用。他们用的实为改装的国外产品，在实用中失败。此后我们发现一篇国外发表的《磁干扰补偿理论》文献，开篇第一个公式便是“补偿”，没有飞机速度项。难怪飞机一加速，“目标”就丢失！

黄金三十年过去了，弹指一挥间，唯有与这些在技术科学领域志同道合的前辈、同事、学生们一起工作的经历令我难以忘怀，特写此文回顾那段难忘的激情岁月。