馭風(fēng)飛翔——記西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師韓忠華

本刊記者 張春壯

韓忠華在工作

他提出了新的cokriging代理模型和分層kriging代理模型理論和算法，均發(fā)表于航空航天領(lǐng)域頂級期刊《AIAA Journal》；他主持研發(fā)了基于代理模型的通用優(yōu)化工具箱“Surro Opt”，其優(yōu)化效率比遺傳算法等可提高1～2量級；他設(shè)計(jì)出自然層流超臨界翼型LSC72513和LSC74612，可使跨聲速機(jī)翼阻力減小15%；他設(shè)計(jì)的9%厚度的新旋翼翼型，其優(yōu)良性能已得到風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證；他改進(jìn)了NPU兆瓦級風(fēng)力機(jī)翼型族的粗糙度敏感性，并設(shè)計(jì)了一族18%～60%厚度的NPU多兆瓦級風(fēng)力機(jī)翼型……

他的每一次創(chuàng)新，都于細(xì)節(jié)之處促進(jìn)飛行器性能的提升；他的每一個(gè)項(xiàng)目突破，都直擊本領(lǐng)域內(nèi)關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題。他是孜孜不倦于空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域研究的科技先鋒。

他1996年本科畢業(yè)于位于古城西安的西北工業(yè)大學(xué)，其后在流體力學(xué)專業(yè)獲先后獲得碩士、博士學(xué)位，從此成為廣大航空科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域研究隊(duì)伍中平凡的一員，開始了艱苦卓絕的旅程。如今，作為西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師的韓忠華甘當(dāng)人梯，為自己的學(xué)生攀登科學(xué)高峰保駕護(hù)航。

創(chuàng)新引領(lǐng) 實(shí)現(xiàn)飛行器設(shè)計(jì)的奇思妙想

鳥兒在天空自由地飛翔，這讓行走在地上的人類長久仰望……

藍(lán)天的自由、太空的奧秘、莫測的變幻，人類想知道的太多……

好奇心和創(chuàng)造力，推動(dòng)了人類對鳥類或彈丸在飛行時(shí)受力和力的作用方式的研究，從而產(chǎn)生了流體動(dòng)力學(xué)。20世紀(jì)以來，隨著航空科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，空氣動(dòng)力學(xué)從流體動(dòng)力學(xué)中發(fā)展出來，成為力學(xué)的一個(gè)分支。空氣動(dòng)力學(xué)研究的是，飛行器或其他物體在同空氣作相對運(yùn)動(dòng)情況下的受力特性、流動(dòng)規(guī)律和伴隨發(fā)生的物理化學(xué)變化。飛機(jī)系畢業(yè)的韓忠華，將自己定位在了這個(gè)領(lǐng)域，并從此開始了在該領(lǐng)域的艱苦跋涉。

高效定常、非定常流動(dòng)CFD (計(jì)算流體力學(xué))數(shù)值模擬方法和主動(dòng)流動(dòng)控制是韓忠華博士論文期間做的主要研究方向。這一研究發(fā)展了基于預(yù)處理方法和多重網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的低、亞、跨、超聲速流動(dòng)的統(tǒng)一數(shù)值求解方法及用于非定常流動(dòng)計(jì)算的全隱式雙時(shí)間推進(jìn)方法。他將該方法應(yīng)用于基于合成射流的翼型主動(dòng)流動(dòng)控制數(shù)值模擬，并發(fā)現(xiàn)了合成射流動(dòng)量系數(shù)一般必須在0.001以上，射流偏角在45度以下才能獲得較顯著流動(dòng)分離控制效果的規(guī)律。

空氣動(dòng)力學(xué)代理模型理論、算法及應(yīng)用是韓忠華在德國留學(xué)期間開展的一項(xiàng)新的研究。他先后提出了梯度增強(qiáng)kriging模型、co-Kriging模型、分層kriging模型等一系列代理模型新理論和方法。通過引入梯度信息，他發(fā)展了一種梯度增強(qiáng)的Kriging模型，提高了Kriging模型的精度和建立代理模型的效率。他將統(tǒng)計(jì)學(xué)co-Kriging模型推廣到航空領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中，發(fā)展了一種新的變可信度的代理模型。他還提出了分層Kriging模型理論和算法，改善了傳統(tǒng)變可信度模型的魯棒性和不確定度估計(jì)。同時(shí)，韓忠華還發(fā)展了基于Kriging模型的飛機(jī)壓力分布的氣動(dòng)數(shù)據(jù)插值方法以及CFD數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的融合方法。代理模型工具箱 (rsm toolbox) 和變可信度模型工具箱 (vfm toolbox)的開發(fā)和應(yīng)用，也是空氣動(dòng)力學(xué)代理模型研究的成果之一?？罩锌蛙嚬镜难芯咳藛T已將其成功應(yīng)用到螺旋槳槳盤數(shù)據(jù)插值中，以及超臨界機(jī)翼帶增升裝置的氣動(dòng)荷載預(yù)測；歐洲防務(wù)的研究人員則將其應(yīng)用于無人機(jī)氣動(dòng)數(shù)據(jù)分析，并認(rèn)為“該工具明顯優(yōu)于商業(yè)軟件”。

高效空氣動(dòng)力學(xué)與多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與算法，是韓忠華2010年回國后所在團(tuán)隊(duì)的主攻研究方向之一。傳統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)是一種“試湊法”，強(qiáng)烈依賴于設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)，需要反復(fù)修改外形，直到滿意為止；其缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)周期長，無法得到最優(yōu)外形。而氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)是將CFD數(shù)值模擬和優(yōu)化算法相結(jié)合，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)獲得滿足性能要求的最優(yōu)外形的一門學(xué)科分支。多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)則是在優(yōu)化過程中，同時(shí)考慮多個(gè)學(xué)科之間的相互影響，自動(dòng)找到綜合最優(yōu)的飛行器設(shè)計(jì)方案的學(xué)科。氣動(dòng)和多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用，將可能改變傳統(tǒng)的飛行器設(shè)計(jì)的理念和模式，使飛行器性能有大幅度提升。為了適應(yīng)氣動(dòng)和多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的需要，韓忠華和他所在團(tuán)隊(duì)目前已經(jīng)開發(fā)了一種多目標(biāo)、多約束高效通用優(yōu)化工具箱“Surro Opt”，并發(fā)展了氣動(dòng)外形參數(shù)化程序“FoilParam”、高質(zhì)量計(jì)算網(wǎng)格生成/再生成程序“FoilGrid Gen”、高效CFD計(jì)算程序“PMNS2D”等一系列配套工具。未來若干年，韓忠華和他所在研究團(tuán)隊(duì)將致力于解決基于高可信度CFD的氣動(dòng)與多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和算法面臨的一些關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題，力爭將該領(lǐng)域的研究往前扎實(shí)推進(jìn)一步。

在韓忠華和他所在的團(tuán)隊(duì)里，創(chuàng)新思維活躍，學(xué)術(shù)氣氛濃厚，還開展一些具有原創(chuàng)性的研究。2010年回國后，韓忠華根據(jù)在國外研究期間得到的啟發(fā)，獨(dú)立提出了建立基于XML語言的通用氣動(dòng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)的研究方向。經(jīng)過4年多的研究，已經(jīng)突破了基于XML語言的半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)、氣動(dòng)數(shù)據(jù)庫總體框架和集成技術(shù)設(shè)計(jì)、基于氣動(dòng)數(shù)據(jù)庫的快速數(shù)據(jù)插值與優(yōu)化設(shè)計(jì)等一系列關(guān)鍵技術(shù)。眾所周知，未來將是數(shù)據(jù)科學(xué)的時(shí)代，氣動(dòng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)的研究，將可能成為空氣動(dòng)力學(xué)研究的一個(gè)重要分支。而韓忠華和他所在研究團(tuán)隊(duì)正在努力推動(dòng)這一方面的研究和發(fā)展。

默默堅(jiān)守 做一流研究

揮戈藍(lán)天，無論是在西北工業(yè)大學(xué)的學(xué)習(xí)、教學(xué)和科研，還是在德國宇航中心（DLR）空氣動(dòng)力學(xué)與流體技術(shù)研究所4年的實(shí)踐，韓忠華從來都是全身心投入，默默堅(jiān)守。

高效氣動(dòng)與多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)理論、方法及應(yīng)用，是韓忠華回國后傾入心血最多的研究課題之一。韓忠華意識到，要在該領(lǐng)域開展一流研究，就必須發(fā)展自己的研究工具。然而開發(fā)研究工具周期長，見效慢。韓忠華認(rèn)為，科學(xué)研究是一門需要等待的藝術(shù)，只有默默堅(jiān)守，才能做出一流研究工作。前后歷時(shí)8年時(shí)間，韓忠華主持開發(fā)了通用優(yōu)化工具箱“SurroOpt”。經(jīng)過大小幾十種算例測試，表明SurroOpt優(yōu)化效率高(比遺傳算法可提高1～2量級)、全局性好，且具有多目標(biāo)優(yōu)化和并行優(yōu)化的能力。目前，該軟件的開發(fā)得到了商飛上飛院、航空工業(yè)氣動(dòng)院、北京機(jī)電工程研究所等研究所和工業(yè)部門的支持，并應(yīng)用于超臨界翼型、層流翼型、旋翼翼型、風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)以及機(jī)翼設(shè)計(jì)、增升裝置設(shè)計(jì)、螺旋槳槳尖形狀優(yōu)化、旋翼和螺旋槳的氣動(dòng)/聲學(xué)綜合優(yōu)化、運(yùn)輸機(jī)氣動(dòng)/結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。

此外，在SurroOpt研發(fā)的基礎(chǔ)上，他們還發(fā)展了基于梯度增強(qiáng)kriging模型的高維氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法以及基于雙EI和分層Kriging模型的變可信度全局優(yōu)化方法等新的氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)算法。在2015年美國AIAA氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研討會中，韓忠華和他所在團(tuán)隊(duì)參加了2個(gè)翼型減阻優(yōu)化設(shè)計(jì)的算例研究，結(jié)果表明所優(yōu)化的翼型阻力小于同行優(yōu)化的翼型。另外，韓忠華還將基于代理模型的優(yōu)化方法應(yīng)用于接近實(shí)際民機(jī)外形的翼身組合體精細(xì)氣動(dòng)設(shè)計(jì)，結(jié)果表明在40～80個(gè)設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，基于代理模型的優(yōu)化外形比采用梯度優(yōu)化算法的優(yōu)化外形的阻力小5 counts；這說明了在精細(xì)氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中采用全局優(yōu)化算法的必要性。目前，韓忠華和他的團(tuán)隊(duì)仍在默默堅(jiān)守，潛心研究，力爭開發(fā)出更先進(jìn)、更實(shí)用、更高效和更魯棒的氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)工具。

翼型設(shè)計(jì)是空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一項(xiàng)基礎(chǔ)研究工作，也是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的工作。韓忠華自2010年回國后，繼承導(dǎo)師喬志德教授的遺志，夜以繼日地開展翼型的氣動(dòng)設(shè)計(jì)研究。在他的潛心鉆研下，所設(shè)計(jì)的自然層流超臨界翼型LSC72513和LSC74612，可以配置在高亞聲速運(yùn)輸機(jī)翼上，用于維持機(jī)翼表面50%左右的層流，使機(jī)翼阻力減小15%以上。他還參加了旋翼翼型的設(shè)計(jì)工作，所設(shè)計(jì)的9%厚度新翼型經(jīng)過西北工業(yè)大學(xué)NF-6高速翼型風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證具有優(yōu)良性能。此外，在“863”項(xiàng)目的資助下，韓忠華在宋文萍教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)中負(fù)責(zé)NPU兆瓦級風(fēng)力翼型的改進(jìn)設(shè)計(jì)和多兆瓦級風(fēng)力機(jī)翼型族的設(shè)計(jì)研究。經(jīng)過西北工業(yè)大學(xué)NF-3低速翼型風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證，表明所設(shè)計(jì)的21%和25%厚度改進(jìn)翼型在保持高升力系數(shù)下高升阻比特性的同時(shí)，較大幅度改善了最大升力對前緣粗糙度的敏感性。最近，他還設(shè)計(jì)了一族18%～60%厚度的多兆瓦級風(fēng)力機(jī)翼型，并準(zhǔn)備開展試驗(yàn)驗(yàn)證。長期盯著電腦屏幕開展翼型設(shè)計(jì)工作，使得他兩只眼睛長時(shí)間充滿血絲，但他默默堅(jiān)守、無怨無悔。

嚴(yán)而不苛 育一流人才

俗語云，千里馬常有，而伯樂不常有。韓忠華樹立了“做一流研究、育一流人才”的堅(jiān)定信念。在他的眼里，“只有做出一流的研究，才能培養(yǎng)出一流人才”。這么多年，他一直在相關(guān)研究領(lǐng)域不斷追求卓越，不斷實(shí)現(xiàn)自我突破，努力踐行著這一理念。

韓忠華和他所在團(tuán)隊(duì)，一直堅(jiān)持“以培養(yǎng)學(xué)生為首先任務(wù)，以學(xué)生全面成長為目標(biāo)”的理念。為此，韓忠華非常注重學(xué)生全方位能力的培養(yǎng)，他除定期開展課題組學(xué)術(shù)討論外，還花大力氣對學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)，例如“如何做研究”“如何寫論文”“研究生綜合研究能力培養(yǎng)”等專題培訓(xùn)。他在學(xué)術(shù)上對學(xué)生要求非常嚴(yán)格，但其他方面卻努力為學(xué)生打造比較寬松自由的研究環(huán)境。

韓忠華認(rèn)為，“要想做出世界一

【創(chuàng)新之路】Way of Innovation流的研究工作，培養(yǎng)出頂尖人才，不僅需要有一流的研究設(shè)備和軟硬件條件、一流的科學(xué)研究方法和人才培養(yǎng)模式，同時(shí)也需要打造一流的研究團(tuán)隊(duì)”。從2007年出國開始，韓忠華便有一個(gè)夢想，希望能回國后能開創(chuàng)自己的研究事業(yè)。他希望建立一支“氣動(dòng)與多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化，Aerodynamic and multidisciplinary design optimization”研究團(tuán)隊(duì)，并逐漸發(fā)展壯大為實(shí)驗(yàn)室。他的目標(biāo)是：爭取在3—5年時(shí)間內(nèi)，可以成為與美國斯坦福大學(xué)“航空宇航設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室”、美國密歇根大學(xué)“MDO實(shí)驗(yàn)室”、英國謝菲爾德大學(xué)“空氣動(dòng)力學(xué)團(tuán)隊(duì)”、瑞典皇家理工“空氣動(dòng)力學(xué)團(tuán)隊(duì)”以及德國宇航中心氣動(dòng)所“氣動(dòng)與多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)研究團(tuán)隊(duì)”的并跑者；爭取在5～10年內(nèi)或更長的時(shí)間，成為該領(lǐng)域的領(lǐng)跑者。

馭風(fēng)飛翔，韓忠華的目標(biāo)將不再遙遠(yuǎn)，因?yàn)橛辛诉@么多人與他并肩前行。