楊立新：人生如棋 科研如棋

本刊記者　劉　江

楊立新：人生如棋 科研如棋

本刊記者劉江

專家簡(jiǎn)介：

楊立新，北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院副教授。在清華大學(xué)熱能工程系獲工學(xué)碩士和工學(xué)博士學(xué)位，主要從事金屬快速熔凝過程界面特性研究，結(jié)合CFD模擬技術(shù)進(jìn)行激光加工熔化和凝固全過程的數(shù)值模擬研究；2006年在北京交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院任教以來，主持了多項(xiàng)國(guó)防領(lǐng)域的CFD數(shù)值模擬項(xiàng)目。長(zhǎng)期從事傳熱傳質(zhì)、凝結(jié)換熱、微細(xì)通道相變流動(dòng)傳熱和多物理場(chǎng)耦合等方面研究，做了大量的創(chuàng)新工作，近年來在國(guó)內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊和學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇。

在沒見到楊立新之前，記者就聽聞他是一個(gè)十足的棋迷，是資深的圍棋愛好者。待到見面之后，他本人親自證實(shí)了這一說法。在日常緊張的科研、交流和教學(xué)工作之余，他已經(jīng)極少有屬于自己的業(yè)余時(shí)間了，但是只要有片刻的功夫，楊立新一定會(huì)擺上棋盤找人殺上一盤或者獨(dú)自一個(gè)人打譜，這種在別人眼中又費(fèi)腦子又勞心的事兒，在楊立新看來卻是一種最佳的放松和休息方式。

對(duì)此，楊立新解釋，別小看了這黑白之道，里面蘊(yùn)含的哲理卻是深不可測(cè)。圍棋的變數(shù)極多，進(jìn)退攻守，取舍得失。不堅(jiān)持到最后一步，決不能放棄希望。人生如棋，科研事業(yè)也是如此，只要不輕言放棄，就會(huì)有翻盤成功的可能。

開局艱辛：步步為營(yíng)的人生積累

位于北京西直門外高粱橋斜街的北京交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院，是楊立新的工作地點(diǎn)。鬧中取靜的辦公樓顯得已經(jīng)有些破舊了，這和想象中那些高大上的科研環(huán)境有些相差甚遠(yuǎn)。然而就是在這里，楊立新先后主持完成了兩個(gè)國(guó)家級(jí)自然基金的面上項(xiàng)目以及大大小小的省部級(jí)和北交大的項(xiàng)目幾十項(xiàng)，取得了驕人的成績(jī)。

深諳圍棋之道的楊立新明白，棋要一步一步下，科研之路要一步一步走，只有步步為營(yíng)，才能扎實(shí)穩(wěn)定。圍棋中講究“勢(shì)”，勢(shì)就是為將來獲勝的可能所做的積累。楊立新在年輕的時(shí)候就為自己的科研之路做足了高瞻遠(yuǎn)矚的規(guī)劃。

1991年在南京航天航空大學(xué)動(dòng)力系本科畢業(yè)之后，由于所學(xué)的是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)熱能工程的領(lǐng)域，所以楊立新被分配到沈陽航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，從事發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪相關(guān)的一些設(shè)計(jì)和分析工作。這在別人看來令人艷羨的“鐵飯碗”在楊立新心中卻并沒有得到滿足。一來是對(duì)于當(dāng)時(shí)國(guó)家發(fā)展航空科技的大環(huán)境的判斷；二來是對(duì)自身能力的高標(biāo)準(zhǔn)要求，他毅然決定繼續(xù)深造，并且成功考取了清華大學(xué)工程熱物理專業(yè)的碩士研究生。

凡事，預(yù)則立，不預(yù)則廢。明確的目標(biāo)，便會(huì)產(chǎn)生積極的行動(dòng)。楊立新預(yù)計(jì)，熱能工程領(lǐng)域必將成為世界范圍內(nèi)十分重要的發(fā)展方向，而在我國(guó)，這一領(lǐng)域更是擁有許多努力和發(fā)展的空間，從科學(xué)到技術(shù)再到產(chǎn)業(yè)，這雖然是一條崎嶇之路，但是卻跟我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)，蘊(yùn)藏著巨大的生產(chǎn)力。建電站、建電廠、建鍋爐、建電機(jī)，這些方面都與熱能工程密不可分，具有極大的需求，必將對(duì)我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)做出重要貢獻(xiàn)。帶著對(duì)熱能工程領(lǐng)域的濃厚興趣和熱情，楊立新投入到新的一輪學(xué)習(xí)過程中去，他廢寢忘食，早出晚歸，大部分時(shí)間都泡在實(shí)驗(yàn)室里。然而在科研高峰的攀登路途上不可能是一馬平川的，不可避免會(huì)遇到各種困難，而克服困難本身就是成為一名優(yōu)秀科學(xué)家的必經(jīng)之路。

“比如CFD模擬仿真手段是很重要的一種工具，但是商用的CFD軟件在20世紀(jì)90年代末才真正進(jìn)入我國(guó)，國(guó)內(nèi)的研究所和設(shè)計(jì)單位才開始接觸，都處在摸索階段。之前沒有人做過，數(shù)值模擬需要編寫大量的計(jì)算程序，同時(shí)也有許多算法要做。但受當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)條件的限制，往往點(diǎn)擊一個(gè)操作之后，你可以回家去睡一覺，然后再過來進(jìn)行下一個(gè)操作。這種理論上可行，但實(shí)際操作不可行就造成了我們80%的時(shí)間都用在調(diào)試機(jī)器上了，每天進(jìn)展甚微，久而久之，需要調(diào)節(jié)就不僅僅是設(shè)備了，更是自己的心態(tài)。”楊立新笑著向記者介紹當(dāng)時(shí)的困境，這樣的困境在今天聽起來仿佛只是一個(gè)笑話，但在當(dāng)時(shí)卻給楊立新帶去了極大的困擾，“我們只好找來軟件的開發(fā)者來進(jìn)行調(diào)整，好在最終還是把這個(gè)困難解決掉了。CFD楊立新一做就做了10多年，積硅步至千里，如今他被公認(rèn)為領(lǐng)域里領(lǐng)跑人。難怪行業(yè)里流行一句話：“做CFD，去北交大找楊老師！”

楊立新清楚，時(shí)刻保持與國(guó)際接軌，科學(xué)研究才能達(dá)到更高的水平。所以在2009年到2010年這一年赴美國(guó)休斯敦大學(xué)做訪問學(xué)者是他一段寶貴的經(jīng)歷。此行最大的收獲就是可以有更多機(jī)會(huì)接觸國(guó)際前沿的課題和更加完備的實(shí)驗(yàn)設(shè)施，可以面對(duì)面地同國(guó)外同行交流溝通，參加了一些國(guó)際會(huì)議，開拓一下視野，鍛煉一下能力，從而確定下來一個(gè)自己在該領(lǐng)域比較前沿的研究方向，進(jìn)一步結(jié)識(shí)一些這個(gè)方向比較頂級(jí)的專家學(xué)者。

有些時(shí)候，人的潛能是需要在一種特定的環(huán)境中才能激發(fā)出來的，就像棋逢高手，自己也能超水平發(fā)揮。楊立新渴望接受高難度的挑戰(zhàn)，但同時(shí)他也能做到冷靜分析局面。在他看來，就熱能工程領(lǐng)域，同國(guó)外同行相比，我國(guó)的學(xué)科起步確實(shí)比較晚，尤其是在科研經(jīng)費(fèi)和人才培養(yǎng)方面差距較大。但是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家在這方面的投入已經(jīng)有了明顯的提高，尤其是在這個(gè)領(lǐng)域的偏基礎(chǔ)方面的研究大有迎頭趕上之勢(shì)，同國(guó)際上的差距日漸縮小。但是在本領(lǐng)域的尖端方面，我們的差距非常還很明顯。楊立新認(rèn)為主要體現(xiàn)在有引領(lǐng)性的高水平的論文少以及具有創(chuàng)新性的思想更少！雖然這與前面所說的科研設(shè)備的投入有很大關(guān)系，但是楊立新也一針見血地指出，實(shí)際上是我國(guó)嚴(yán)重缺乏學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。對(duì)于國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的學(xué)習(xí)和效仿，采用生搬硬套的“克隆”方法，或通過簡(jiǎn)單的“抄襲”途經(jīng)是難以長(zhǎng)久的。

楊立新向記者舉例，之前我國(guó)大部分的反應(yīng)堆都是從國(guó)外引進(jìn)的，但是如果我們要出口給其他國(guó)家的話，必須擁有自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。這個(gè)自主產(chǎn)權(quán)里面最麻煩的就是燃料組件，它在反應(yīng)堆里面的地位就相當(dāng)于一部汽車?yán)锏陌l(fā)動(dòng)機(jī)，受保護(hù)的地方特別多，比如支撐燃料棒的定位格架上小到一個(gè)掛鉤的形式都有專利保護(hù)，當(dāng)我們要去改進(jìn)的時(shí)候，就不能只是簡(jiǎn)單地去模仿了，而是要有自主設(shè)計(jì)和研發(fā)的能力。這就要求我們要迫切提高自我學(xué)習(xí)能力和自主創(chuàng)新能力，通過學(xué)習(xí)先進(jìn)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比自身的不足，并有創(chuàng)造性的將所學(xué)運(yùn)用于實(shí)踐中，不斷增強(qiáng)我國(guó)的熱能工程領(lǐng)域的硬實(shí)力。

幸福一家

中盤精彩：高瞻遠(yuǎn)矚的學(xué)科探索

如果把科研事業(yè)比作一場(chǎng)棋局，不能只看眼前的一子一地，要有高屋建瓴的全局觀才可能獲得更大的成功。下棋的人總愛講“走一步，看三步”，就是這個(gè)道理。未雨綢繆，高瞻遠(yuǎn)矚是一位優(yōu)秀科研工作者的基本素質(zhì)。楊立新就把目光投向了學(xué)科領(lǐng)域中比較前沿基礎(chǔ)的地方，用他的話講：“我研究的內(nèi)容，可能十年二十年用不上，但是二十年后要用到的東西，我們還是要提前去做一些探索?！?/p>

比如航空工業(yè)科技，它的發(fā)展水平體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的綜合國(guó)力。而航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的“心臟”更被喻為“工業(yè)皇冠上的明珠”，如何實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新，一直是我國(guó)航空制造業(yè)迫切解決的難題之一。將航空發(fā)動(dòng)機(jī)提上國(guó)家戰(zhàn)略層面是大勢(shì)所趨，為此，國(guó)家在三個(gè)五年計(jì)劃里持續(xù)開展了航空推進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃，該計(jì)劃是以提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)能力為宗旨，以技術(shù)驗(yàn)證為核心，以打基礎(chǔ)、建體系為主線的一個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證計(jì)劃。推進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制從“傳統(tǒng)設(shè)計(jì)”向“預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)”的轉(zhuǎn)變，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。楊立新在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的能力和成就，使他也被邀請(qǐng)共同參與到這個(gè)高級(jí)別的項(xiàng)目中來，主要負(fù)責(zé)解決發(fā)動(dòng)機(jī)的防冰問題，包括發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的流動(dòng)傳熱特性以及渦輪葉片的一些氣動(dòng)特性等等方面。這些在當(dāng)時(shí)都屬于關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)研性的重大課題，時(shí)至今日，在楊立新的努力下都已取得了階段性的成績(jī)。

在2011年，楊立新完成了自己獨(dú)立主持的第一個(gè)國(guó)家自然基金面上項(xiàng)目——電磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)納米管線旋轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究。在當(dāng)時(shí)，這是一個(gè)非常新的方向，基于硅片的微電子芯片受到加工制造限制，其可以容納的晶體管數(shù)量已經(jīng)趨于極限。采用‘基于納米管線’的納電子學(xué)取代‘基于硅技術(shù)’的微電子學(xué)是突破該極限的有效途徑。新技術(shù)基于流體自適應(yīng)機(jī)制，采用外加電磁場(chǎng)控制納米管線運(yùn)動(dòng)，‘由小而大’制造下一代電子芯片，取代常規(guī)‘由大而小’的制造技術(shù)。通過控制納米管線的運(yùn)動(dòng)進(jìn)而控制芯片成型加工的技術(shù)難題成為限制該技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸。楊立新在這一課題方向進(jìn)行了探索性試驗(yàn)研究，在外加電磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，他和他的團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到了納米管線的運(yùn)動(dòng)，并積累了大量相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究經(jīng)驗(yàn)。

除此之外，在微納米尺度效應(yīng)的研究方面，楊立新也進(jìn)行了大量基礎(chǔ)性研究，他發(fā)現(xiàn)：雖然納米管線在徑向處于納米尺度，而長(zhǎng)度方向尺寸是數(shù)十微米的量級(jí)，其在液體里的運(yùn)動(dòng)仍然可以采用基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的Navier-Stockes方程并通過加入相關(guān)邊界修正及其他納米尺度效應(yīng)的修正實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型描述，因此，該運(yùn)動(dòng)仍可以用基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬手段加以研究。

該項(xiàng)目的特色和創(chuàng)新之處在于楊立新首次將 CFD數(shù)值模擬方法引入納米管線在外加磁場(chǎng)作用下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的研究中，結(jié)合他在前期取得的微納米相關(guān)研究成果，建立復(fù)雜耦合多物理場(chǎng)、多因素作用下的納米管線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象數(shù)學(xué)模型；將納米尺度效應(yīng)、外加電磁場(chǎng)力、慣性力、粘性力、重力和 Brownian力的作用在數(shù)學(xué)模型中綜合體現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)CFD數(shù)值模擬。為電磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的納米管線運(yùn)動(dòng)在生物、醫(yī)學(xué)、工程MEMS的進(jìn)一步運(yùn)用提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

隨著航空航天、微電子、汽車、輕工、醫(yī)療和核工業(yè)等的迅猛發(fā)展，對(duì)零件的材料性能要求越來越高，結(jié)構(gòu)形狀越來越復(fù)雜，加工精度和表面完整性要求越來越高，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法在高技術(shù)制造領(lǐng)域所占的比重正日益減少，以激光為代表的高能束加工等特種加工方法，日益得到廣泛的應(yīng)用。世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家把激光等高能束流加工技術(shù)稱為 “將為材料加工和制備技術(shù)帶來革命性變化”，紛紛投入巨額資金，相繼建立高能束流熱源和加工技術(shù)中心。

楊立新和家人合影

楊立新在研究中發(fā)現(xiàn)，激光高能量密度、極好的單色性和超短脈沖直接導(dǎo)致極高的局部溫度和溫度梯度，造成物系和過程遠(yuǎn)離平衡態(tài)，也必然出現(xiàn)諸多超常的陌生現(xiàn)象，使局部熱平衡等經(jīng)典理論描述出現(xiàn)偏差，甚至失效，這是真正影響激光加工/處理質(zhì)量的內(nèi)在因素。于是他針對(duì)激光光源作用下局部區(qū)域產(chǎn)生的微細(xì)傳遞現(xiàn)象和動(dòng)態(tài)演化過程，著重闡明激光光源束能模式、脈沖頻率、波長(zhǎng)與被加工處理對(duì)象的材料性質(zhì)等相互耦合作用所誘發(fā)的光能轉(zhuǎn)換、內(nèi)部能質(zhì)形態(tài)轉(zhuǎn)換與傳遞基本形式、材料性態(tài)改變等演化規(guī)律和物理機(jī)制，建立相應(yīng)的宏觀性能數(shù)理模型，并通過數(shù)值和實(shí)驗(yàn)手段分析典型激光加工處理過程熔池特性和加熱區(qū)性能演變過程，總結(jié)激光加工工藝控制參數(shù)的影響規(guī)律，為優(yōu)化利用激光加工工藝、提高產(chǎn)品加工質(zhì)量等提供理論依據(jù)。

該在研項(xiàng)目的工作難度很大，尤其對(duì)實(shí)驗(yàn)觀察測(cè)試基礎(chǔ)條件和測(cè)試技術(shù)可行性等都要求很高，而且應(yīng)用光子與物質(zhì)微觀粒子和結(jié)構(gòu)的相互作用理論，求解分析光能轉(zhuǎn)換和材料內(nèi)部能量形態(tài)轉(zhuǎn)換與傳遞、材料性態(tài)轉(zhuǎn)變，以及它們之間相互耦合等基本特性規(guī)律，也是對(duì)于研究的一個(gè)極大考驗(yàn)。但是楊立新其實(shí)在清華大學(xué)相變與界面?zhèn)鬟f現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)室攻讀碩士博士期間，就開始從事激光加工過程熔池特性的數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)等基礎(chǔ)性研究工作，對(duì)其中的許多重要方面都有很深的考慮，這個(gè)項(xiàng)目也正是基于學(xué)位論文研究和后來實(shí)際工作中的進(jìn)一步思考而提出的研究課題，具有延續(xù)和拓展性，這一研究學(xué)術(shù)思路新穎，是目前同類研究中比較前沿的內(nèi)容，以楊立新在CFD和多物理場(chǎng)數(shù)值模領(lǐng)域近15年的研究工作積累和對(duì)研究現(xiàn)狀的了解，很有可能取得創(chuàng)新性基礎(chǔ)研究成果。

楊立新

收官完美：知己知彼的產(chǎn)學(xué)研合作

在國(guó)內(nèi)高校與企業(yè)的產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合方面，楊立新是公認(rèn)的典型代表人物。他無時(shí)無刻不在思索著兩個(gè)問題：一個(gè)是解決熱能工程中的原創(chuàng)性科學(xué)問題；另一個(gè)則是熱能領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化問題，要確確實(shí)實(shí)為企業(yè)解決一些難題，創(chuàng)造更大的價(jià)值。

在楊立新看來，目前國(guó)內(nèi)有太多的科研成果躺在實(shí)驗(yàn)室的報(bào)告里面，高校科研同企業(yè)的工程嚴(yán)重脫節(jié)。高校只培養(yǎng)人才，產(chǎn)生思想，然后成果卻很難轉(zhuǎn)化成為市場(chǎng)生產(chǎn)力，兩者之間總還相差著最后一公里，而楊立新立志于將這最后一公里的距離打通。

擁有過研究所工作和高?？蒲械碾p重經(jīng)歷是楊立新的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，他提出要換位思考，你得知道企業(yè)的難處在哪？去主動(dòng)結(jié)合企業(yè)的需求，做到知己知彼，量體裁衣。了解企業(yè)需要什么，我們能夠提供什么，結(jié)合高校的研究方向和企業(yè)的需要，然后去做，深入之后，效果才會(huì)更明顯，而不是一味地只是為了發(fā)表論文而去做一些研究。

楊立新認(rèn)為另一個(gè)關(guān)鍵在于做事的持續(xù)性。無論是科研本身還是與企業(yè)的合作，熱能工程的研究沒有捷徑可走，來不得半點(diǎn)虛假和自欺欺人，任何憑“僥幸”心理試圖一舉成功的做法都是不可能的?？茖W(xué)前沿的重要問題往往都是世界性難題，既要靠智力，也要靠專注和毅力?！盀槭裁次覀兛傄帷畠蓮椧恍恰木?？因?yàn)橥龅阶詈鬀Q定成敗的不是技術(shù)問題，而是你這個(gè)人搞科研的一種態(tài)度的反饋！”楊立新斬釘截鐵地說。

楊立新會(huì)把他的這一觀點(diǎn)在日常的教學(xué)中灌輸給他的學(xué)生們，在他眼中，他的學(xué)生們都是非常優(yōu)秀的，只不過還需要時(shí)間的積累和修為。他認(rèn)為，“搞科研要坐十年冷板凳”這句警言永遠(yuǎn)不過時(shí)?？蒲邢衽荞R拉松，而不是百米競(jìng)賽，智力的差別并不大，關(guān)鍵在于你能堅(jiān)持一年還是十年還是一輩子？至于名氣、榮譽(yù)、獲獎(jiǎng)這些事，統(tǒng)統(tǒng)沒有放在楊立新的心里，于他而言，他的科研生涯就像一盤漫長(zhǎng)的對(duì)弈，他用一生去完成這一棋局，對(duì)手不是別人，是自己，戰(zhàn)勝自己往往比戰(zhàn)勝別人更重要。而他享受的，正是這個(gè)過程中的樂趣，而不僅僅在于結(jié)果本身。