周培源先生在北大

钱学森先生的临终两问,第一次将高校的关键问题提高到国家最高领导人基本国策的层面。问题并不直指北大,但首指北大，即北大为何说没有大家,为何说未按照世界一流大学的办学模式。北大在迁址燕园后的三十年中,马寅初校长被批,陆平彭佩云被斗，周培源先生长期主持大局,将北大办成世界一流和国内首屈一指的最高学府,三五年间新增专业和系二十余个,学生人数由数百人增至万余人,至1958年第一台电子计算机开始运行,第一个半导体研制成功,并成功地人工合成胰岛素,使北大的教学科研取得突飞猛进的巨大成果,使北大的学科水平普遍进入世界前列,北大理科成为全国高校的典范,与解放前的老北大有天壤之别。他对高教事业的贡献足以证明，他堪称建国以来我国高教界屈指可数的大教育家。他对相对论作出重大贡献,使湍流这个经典物理的世纪难题进入一个全新的理论境界,被誉为湍流模式理论的奠基人，是我国基础理论研究中国际公认的大理论家。至今北大史家讳言周培源先生创办燕园北大的重大贡献则无法书写完整的百年北大史,北大学界不研究周培源湍流学说则理科力学的基础研究必然将退变成为工程力学和应用力学。至今老北大的标志是沙滩红楼,而燕园北大唯一的地标建筑是周培源先生创建的大风洞还是司徒雷登创办燕大时留下的湖光塔影,北大人心中应有定论。

（一）大风洞的创建

建国之初，百废待兴，高校人才匮乏。1952年周培源先生来到燕园北大，主政教学科研和外事工作三十年，历任校长，副校长，教务长等职，为北大建立了完整的理科学科体系。在北大首先创办理科力学后全国高校相继效法。他自兼流体教研室主任，下设湍流、非定常机翼理论、高超音速空气动力学、波动力学、电磁流体力学五个研究方向;规划建设空气动力学实验室、气体力学实验室、基础流体实验室和水力学实验室。同时,联合中科院力学所、清华、北航，四大院校建立以空气动力学基础研究为主的大型低速风洞。风洞气动设计的主要指标和要求是,

(1) 周培源先生在气动设计中要求为保证湍流基础理论研究的需要必须在实验段达到低湍流度气流的指标。为此,收缩段的收缩比在10以上并在设计中预设最多可安装八层阻尼网以保证低湍流度气流。

(2) 钱学森先生规划在风洞中开展非定常机翼理论、层流翼型和边界层控制等空气动力学基础理论研究。为此,实验段兼有二元段和三元段交替使用，在气动设计中二元段取大高宽比,因此必须采用两次收缩的方案,气流经一次收缩后在第二收缩段作二元段和三元段交替使用。

(3) 周培源湍流学说指出，湍流有声学特性。因而要求三元段为开口实验段,按开口风洞的特点配有消振环和消振孔等防振措施,以保证气流产生的声辐射可在实验段外围直接检测。

至今为止,在世界各国的大型风洞中按照周培源-钱学森的气动设计方案用两次收缩实现大收缩比和二元三元交替的低湍流度开口风洞仅此一例。至今国内百余座大型风洞中符合上述要求的也仅此一座。

冯-卡门在《高速空气动力学原理》一书中开门见山地指出低速空气动力学“在飞机设计中用不可压无粘这样粗陋的理论得到很有价值的结果”，对如此“粗陋”的空气动力学理论在一百年来飞速发展的航空工程中产生的关键性作用作出了概括性论断,指出了空气动力学基础研究在进一步发展中对空气动力学目前粗陋的理论开展创新研究的必要性和重要性。所指为儒可夫斯基定理，即仅在原理上证明因机翼表面在后缘奇性作用下产生与飞行方向垂直的升力，但工程应用中必须由风洞实验确定，理论计算不能确定各种状态下准确的升力系数,无法给出表征飞机承载能力的最大升力系数。如何使大攻角时机翼的升力系数按理论值持续增长，则是基础理论研究的关键性课题,因此在钱学森先生主持的大风洞气动设计中有高4米宽0.8米的二元实验段和直经2.25米的开口三元实验段作交替使用，二元段高宽比取其最大值5，而三元段采用开口实验段以避免大攻角时下洗流产生较强的洞壁干扰。

当时国内钢年产量不过数百吨，不可能像欧美各国.那样采用钢结构，清华张维校长按土木系教授建议采用混凝土管壳结构和独立地基防止开裂的方案，后为军工八号和气动所风洞引为范例，至上世纪末为国内各大风洞普遍采用。

气动设计中二元段用林同骥曲线，三元段用钱学森曲线，充分反映我国科学家在风洞设计中的成就。在完成风扇段设计后按Leonard电力拖动系统的要求派刘可器携钱学森亲笔信去哈尔滨电机厂赶制功率为360千瓦的交流电动机和两台300千瓦的直流电机。陆平校长亲自联系长白山林场的一级红松以保障木结构加工进度。陈耀纲负责风扇段机械设计，奚鸿梓作拐角导流片和风扇整流体设计。洞壁内用水磨石贴面抛光，北大和北航师生约两千人参加，至今回忆当年经历津津乐道，记忆犹新。

1958年初,航空部门因沈阳风洞无法使用而我国自行设计的第一代战机歼六和强五急需大型风洞实验数据，与校领导协商利用北大当时国内唯一的大型风洞进行战机模型实验。当时由混凝土结构的第一收缩段已浇注成型,学校决定推迟己加工完成的二元段木结构的安装，按照原先规划的大收缩比开口实验段的气动设计方案提前加工三元段二次收缩的木结构，并临时决定用简易的维氏公式计算三元段收缩曲线后抢先赶制二次收缩的三元段和相应的扩散段和消振设施。1958年10月1日我国第一座大型低速风洞在四家通力合作下顺利运行，在中国空气动力学发展史中列为十大风洞之首。

翌年春,大风洞完成流场校测和能量比测量,流场均匀度和方向场特性符合设计指标，等待歼教六风洞实验模型和空气动力测力天平加工完成后开始实验。周培源先生随即要求在风洞中按照钱学森规划开展空气动力学基础研究,由伊增馨负责将为风洞二元段加工的弦长1.5米的二元机翼模型两侧加端板后作边界层控制的实验研究，后因湍流测量仪器正在研制未能完成预期的要求。

与此同时，为使风洞尽快为培养力学专业人才的教学和科研服务，周培源先生要求随即为60届和62届学生安排用园球背压确定阻力危机的实验。这是由德法两家风洞实验的争议引起的流体力学最著名的经典性实验之一，表明层流分离和湍流分离的本质区别，但无法由普朗特的边界层理论和湍流混合长理论求解，至今计算流体力学也束手无策，只有周培源湍流学说给出可行之有效的解法。自此，力学专业三大实验必修课全部在本校陆续开出，在基础流体实验室有按大风洞四分之一比例建造的小风洞，二元段作边界层和机翼压力分布，三元段作园球背压，另有八角风洞做机翼空气动力测量，水力学实验室按清华水力系规模建造，有水塔水库和长约十余米的循环水槽，并安排了雷诺实验和光滑管粗糙管沿程损失及突然扩大的实验。气体力学实验起初设计有高超音速风洞，当时有三家在搞，于是改为大型激波风洞，另由尹洁芬钮珍南负责小超音速风洞做喷管压力分布、菱形翼的斜激波阴影法流动显示和三分力测量。教材经周光炯先生审查后由周培源先生到实验室更正定稿。

冯-卡门又指出,低速和高速空气动力学理论分别用不可压和弹性流体假定，其中高速空气动力学理论的基础是弹性流体假定,并因工程设计的需要对气流中的声学小扰动作航空小扰动近似和对来流用运动相对性原理,因此严格以声学小扰动的基础理论研究有待深入。因而在马赫数0.3至0.7之间战机的空气动力特性没有理论和风洞数据可用。航母舰载机起降速度就在此范围之中，相关研究必须从低速时声学或弹性流体的特性逐步增长的规律做起。另一方面,空气动力学基础研究要求推广儒可夫斯基定理,提高最大升力系数,从而降低起降速度,这对于提高飞行员安全起降概率,缩短跑道距离均有积极的效用。在大风洞运行时每当风速增加到每秒45米风速时气流核心区产生强烈的低频声辐射穿透外围剪切层使整个实验大厅门窗四壁有强烈震感。这一现象证明在低马赫数条件下同样具有明显的弹性流体效应，随风速增加而迅速增强。风洞原设计中的消振措施没有明显的效果,，后来在收缩段出口周向加十二个消振片扰乱实验段外围大尺度结构得以解决，供军机模型实验使用。同样情况出现在我和北航研究飞行力学的赵震炎教授在做歼六起降的地面效应实验中经我们研究更改采用的边界层修正后出现类似的低频声辐射，修正方法经气动室张炳煊主任查证核实。实验证明了在低马赫数时的弹性流体特性产生的声辐射由实验段逸出,表明研究在这种特定马赫数范围的绕流体空气动力特性必须用开口风洞测量它的声辐射及其对空气动力的影响。至今按周培源先生的设想为流体力学基础理论而策划和设计的大型开口风洞只此一座。

至1959年冬，沈阳厂运来为大风洞实验新加工的歼教六风洞实验模型和由蒋进荣、孙绍鹏、仇畔祥、祁国柱交付纵向三分量空气动力天平,经校准后开始实验，沈阳厂有童永福参加数据分析。随后由陈为炎、张海雄负责做强五的实验。翌年我们又配合管德、陈士豪的歼教六颤振实验。至1962年冬，我和是勋刚去落实歼教六的横向三分量( 侧力、偏航和滚转力矩) 的风洞实验课题并审核厂方提供的横向三分量天平设计图纸。后因时逢三年困难时期，该课题下马,横向三分量空气动力天平的加工搁置。大风洞的生产性军机模型的风洞实验随即停止, 而湍流和空气动力学基础研究的测量仪器和落实钱学森规划的具体方案一时均准备不足，大风洞处于闲置状态。

至今系里对大风洞大量流传种种不见文字的专家“意见”，但无一是曾经的直接参与大风洞实验的实际工作的当事人，对大风洞的来历、用途、历史价值以及它在理科力学教学科研中的重大意义的看法多有偏颇不当之处，使大风洞的命运却历尽坎坷。例如，

第一, 将大风洞的属性归结为生产性航空风洞。言下之意指周培源先生是搞理论的,不懂实验,当年在北大以基础理论为主的力学系大张旗鼓地搞起来的是一个主要用于生产性实验的航空风洞;

第二, 大风洞是北航派研究生来帮助北大完成气动设计的,钱学森只是起初对风洞气动设计有过一些末经实施想法;

第三, 大风洞设计源自哥廷根学派，与周培源湍流学说和钱学森的空气动力学基础研究规划无关，与周培源先生主持燕园北大和创办理科力学无关。

在庄逢甘和顾诵芬院士主编的《中国空气动力学发展五十年》一书中北大撰稿人在北大风洞一节中全面否定周培源先生是大风洞的最初筹划者和最终决策人，对大风洞的创建起决定性作用; 将钱学森主持的风洞气动设计称是北航派研究生魏中磊来北大搞的生产性航空风洞; 而在北京大学一节中对燕园北大创建三十年中起关键性作用的周培源先生在北大史中只是一位平常而普通的教授、博导和流体力学教研室主任。

然而,没有周培源先生三十年的重大贡献何来今日北大, 抹去建国以来这关键的三十年中十万北大教工的艰苦努力则百年北大不可能有完整的历史。