夯實基礎(chǔ)才能飛得更高
——記北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院副教授黎一鍇

□ 陳 璐

黎一鍇講授專業(yè)課

“要瞄準(zhǔn)世界科技前沿，強化基礎(chǔ)研究，實現(xiàn)前瞻性基礎(chǔ)研究、引領(lǐng)性原創(chuàng)成果重大突破?！薄凹訌姂?yīng)用基礎(chǔ)研究，拓展實施國家重大科技項目……”在黨的十九大報告中，習(xí)近平總書記用了整整一段話來闡述基礎(chǔ)研究、創(chuàng)新的重要性。毋庸置疑，只有在基礎(chǔ)科學(xué)研究上取得突破，才能引發(fā)技術(shù)上的真正變革。然而，基礎(chǔ)科學(xué)的研究并非一朝一夕就能見效，它需要科研工作者能夠長時間地坐“冷板凳”，并為之持之以恒地付出。

“遇到工程實際問題要從最根本的基礎(chǔ)理論角度去考慮，只有把微觀機理搞清楚了，才能從根本上解決相關(guān)的工程問題?！弊⒅鼗A(chǔ)理論研究，一直以來都是北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院副教授黎一鍇堅持的科研理念?！氨热缦胍岣邇?nèi)燃機的效率，就要從燃燒出發(fā)去考慮。內(nèi)燃機最核心的部分就是燃燒，而燃燒就是燃油噴出后和空氣混合而產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)。那燃油如何噴出，噴出后要怎樣才能形成好的混合氣體？只有把這塊兒研究透了、控制好了，才能真正提高燃燒質(zhì)量，這是源頭上的東西。”黎一鍇詳細(xì)地介紹道。多年以來，這位年輕的“85后”學(xué)者一直在內(nèi)燃機噴霧燃燒研究的領(lǐng)域內(nèi)默默耕耘，從細(xì)微處著手，運用流體力學(xué)、燃燒學(xué)等基礎(chǔ)理論在研究的道路上不斷探索，踐行著新時代青年學(xué)者的光榮使命。

越了解越喜愛 走上科研路

“高考的時候，我對于專業(yè)還很迷茫。2004年正好是汽車工業(yè)快速發(fā)展的時候我就選了汽車專業(yè)。之后，就被北京航空航天大學(xué)（以下簡稱‘北航’）汽車工程系錄取了?！崩枰诲|與內(nèi)燃機研究的結(jié)緣就這樣開始了。當(dāng)時他也未曾料到這個“隨便”選的專業(yè)，竟會引領(lǐng)他走上科研之路，并使其為之奮斗整個青春。如同人與人之間的交往，日久才能見真心，才可能成為至交好友。經(jīng)過本科階段的逐漸了解、深入學(xué)習(xí)后，黎一鍇愈發(fā)喜愛上了這一專業(yè)，從此探索的腳步就不曾停歇。

北航作為新中國第一所航空航天高等學(xué)府，有著濃厚的航空航天背景，當(dāng)時新興的汽車工程系也有別于其他普通高校?！氨焙降钠嚬こ滔惦m然名叫汽車系，但實際上是從航空動力系分出來的，雖然應(yīng)用領(lǐng)域不同，但是基礎(chǔ)知識是相通的。因此，像流體力學(xué)、工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)等，當(dāng)時我們都是跟航空系一塊上課?！辈稍L中黎一鍇介紹說。正是這種系統(tǒng)而全方位的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，為他日后從事相關(guān)領(lǐng)域的研究打下了扎實的基礎(chǔ)。勤奮好學(xué)的黎一鍇順利保送為北航動力工程及工程熱物理專業(yè)的碩士研究生,正式踏上了科研之路。

好奇是快樂的源泉，擁有好奇心，就擁有了強大的生命力。年輕而充滿活力的黎一鍇正是如此，在好奇心和求知欲的驅(qū)動下，他不斷攀登著科研的學(xué)術(shù)高峰?！按笏牡臅r候曾經(jīng)去法國巴黎交流，讓我覺得國外在燃燒基礎(chǔ)研究方面還是有比較強的優(yōu)勢，于是，我想去國外學(xué)習(xí)一下燃燒流體這種基礎(chǔ)層面的研究方式和研究內(nèi)容?！痹诖T士導(dǎo)師的推薦下，黎一鍇將日本名古屋大學(xué)的航空工學(xué)系作為科研之旅的第二站，開始了博士階段的學(xué)習(xí)。

“我的博士生導(dǎo)師是前日本燃燒學(xué)會會長梅村章先生，他是國際噴霧燃燒領(lǐng)域的著名學(xué)者，是該領(lǐng)域頂級期刊Combustion and flame的副主編，專業(yè)性非常強。我是他的最后一名學(xué)生，他自然對我的要求也特別高。”從黎一鍇的言語中，不難感受他到對梅村章先生發(fā)自內(nèi)心的那份尊重。

常言道名師出高徒。在跟隨梅村章先生學(xué)習(xí)的短短幾年中，黎一鍇受益匪淺?！懊反謇蠋熖貏e強調(diào)基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，博士階段我做的第一件事就是補充數(shù)學(xué)和物理學(xué)知識。剛開始的時候并沒有領(lǐng)會學(xué)習(xí)這些基礎(chǔ)知識的意義，只是覺得它們枯燥而難學(xué)，但突破這個困難之后，就發(fā)現(xiàn)其實基礎(chǔ)理論也挺有意思的，尤其是當(dāng)時學(xué)習(xí)的流體基礎(chǔ)理論直到現(xiàn)在對我的研究仍然影響很大?！辈稍L中黎一鍇感慨道。潛移默化中，黎一鍇更加明白了即使是研究工程問題，也要從最根本的基礎(chǔ)理論去思考，“我現(xiàn)在的一些研究思路、方式，都是在那時形成的”。

學(xué)成歸來 開啟新征途

青年時期的所見所聞，常常會影響一個人價值觀的形成，甚至決定了今后人生的走向。想要繼續(xù)從事內(nèi)燃機基礎(chǔ)理論研究的黎一鍇在博士畢業(yè)后，開始面臨職業(yè)選擇。一次偶然的機會，他了解到北京理工大學(xué)（以下簡稱“北理工”）機械與車輛學(xué)院無論是師資力量還是實驗條件等方面都很不錯，特別是內(nèi)燃機燃燒課題組組長劉福水教授注重基礎(chǔ)問題的研究，急需這方面的人才。經(jīng)過之后幾次深入交流之后，黎一鍇堅定了加入劉福水教授團隊的信念。

學(xué)成歸來的黎一鍇順理成章地成為北理工的一員，開啟了內(nèi)燃機研究的新征途。而北理工優(yōu)越的實驗條件更為他日后的研究提供了強而有力的支持?！拔覀冊谖魃接袀€專門的實驗室，有一層樓全是光學(xué)設(shè)備。這些光學(xué)設(shè)備在國際上都是領(lǐng)先的，利用這些先進的設(shè)備我們就可以觀察到發(fā)動機里面的噴霧、燃燒過程，相當(dāng)于把缸內(nèi)的燃燒過程可視化了，非常有利于去研究燃燒的機理?！闭劦皆囼炘O(shè)備，黎一鍇的言語中充滿了喜悅與自豪。

正是得益于當(dāng)前國家對科研領(lǐng)域的重視，得益于學(xué)校對基礎(chǔ)研究的支持與投資，黎一鍇才有機會借助這些價格昂貴、特別制造的耐高溫、高壓的玻璃設(shè)備做科研。心無旁騖地搞科研，爭取更多創(chuàng)新成果，這是新時代青年科研工作者的幸運，也是他們光榮而艱巨的使命。

萬事開頭難。如何將基礎(chǔ)研究和當(dāng)時課題組所做的偏應(yīng)用的工程問題結(jié)合起來呢？這是初到北理工的黎一鍇遇到的第一個難題。正當(dāng)他束手無策時，劉福水教授的一席話令他茅塞頓開，“一個工程問題只有將它抽象成為一個數(shù)學(xué)表達式，才能從根本上解決它”。而一次某型號內(nèi)燃機進排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計更讓黎一鍇驗證了基礎(chǔ)問題研究的重要性。

當(dāng)時他們正針對即將投產(chǎn)的某型號內(nèi)燃機進氣不足的問題進行科研攻關(guān)。依照傳統(tǒng)工程研究的方法，需要按照經(jīng)驗參數(shù)去設(shè)計進排氣道的結(jié)構(gòu)，不會考慮這些經(jīng)驗參數(shù)設(shè)置的適切性和合理性。而這次，黎一鍇利用流體力學(xué)相關(guān)理論進行了縝密的推導(dǎo)驗算，并得出最優(yōu)解。之后，在劉福水教授的建議下，他們按照窮舉法做出多個樣本，經(jīng)過一番對比測量之后，理論推算的最優(yōu)解也得到了實驗的印證?！爱?dāng)時覺得很有成就感，如果在做工程設(shè)計的時候，能夠讓每一步都找到理論支撐，那就是非常扎實的設(shè)計了，而且可以少走很多彎路?！边@次經(jīng)歷使黎一鍇信心倍增，工程中還有很多基礎(chǔ)問題的研究沒有解決，他在博士階段的所學(xué)有了用武之地。

霧化研究 小中見大

說到內(nèi)燃機，人們不會感到陌生。其因熱效率高、功率范圍廣，已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通和國防建設(shè)等各個領(lǐng)域。然而，隨著內(nèi)燃機行業(yè)的飛速發(fā)展，一些問題也逐漸浮出水面，尤其是日益嚴(yán)重的能源短缺與環(huán)境污染問題。為了確保能源供應(yīng)安全，我國制定了嚴(yán)格的乘用車油耗標(biāo)準(zhǔn)：到2020年，當(dāng)年生產(chǎn)的乘用車平均燃料消耗量降至5.0L/100km，節(jié)能型乘用車燃料消耗量降至4.5L/100km以下。同時，內(nèi)燃機的燃燒排放物也是城市大氣環(huán)境的重要污染源，譬如顆粒物（PM）的排放就是造成城市霧霾的重要原因之一，近幾年已成為公眾關(guān)注的熱點問題。

長期以來，燃油霧化一直是內(nèi)燃機燃燒技術(shù)研究的難點。燃料霧化即指將液體燃料分散成細(xì)小顆粒的過程。通過霧化可增大燃料的表面積，增加燃料與氧氣接觸的機會。顯而易見，燃料霧化的好壞直接影響混合氣的形成質(zhì)量，進而影響發(fā)動機的經(jīng)濟性、動力性和排放水平。為了弄清燃油霧化的過程，深入掌握霧化機理，2016年黎一鍇主持的國家自然科學(xué)青年基金項目“動態(tài)慣性力作用下表面張力波誘導(dǎo)液滴霧化機理的研究”正式拉開帷幕。

“在直噴式內(nèi)燃機中，燃油霧化大體上可以分為兩個過程。液態(tài)燃油被噴入燃燒室之后，在空化和表面張力波等因素的作用下，連續(xù)液柱會發(fā)生所謂的‘初次霧化’，即分裂破碎成團塊、條帶、液絲和液滴等大小形狀各異的離散結(jié)構(gòu)。在這些初次霧化的產(chǎn)物中，較大的團塊或液滴在其運動過程中由于受到氣動力、慣性力、黏性力和表面張力等各種力的相互作用，會繼續(xù)分裂破碎成更小的液滴，這個過程被稱為‘二次霧化’。換句話說就是，大尺度的連續(xù)液柱會最終破碎成小尺度的、容易蒸發(fā)和燃燒的液滴?！辈稍L中，黎一鍇生動地解釋道。

據(jù)介紹，二次霧化過程決定著噴霧的最終特性，如平均液滴尺寸、貫穿度和燃油濃度分布等，而這些特性直接影響著液滴的蒸發(fā)、油-氣混合和燃燒等過程，進而影響燃燒效率與顆粒物排放的生成。因此，闡明缸內(nèi)燃油液滴的二次霧化機理是弄清燃油霧化過程的基礎(chǔ)，也是控制直噴式內(nèi)燃機缸內(nèi)燃油擴散燃燒的關(guān)鍵。在該項目中，他計劃利用現(xiàn)代光學(xué)的測試手段，結(jié)合高精度氣液兩相流的模擬技術(shù)，對液滴霧化的機理進行研究，從而進一步完善液滴二次霧化理論，并為建立高精度液滴二次霧化的模型奠定理論基礎(chǔ)。

在即將完成關(guān)于二次霧化研究的青年基金之際，黎一鍇針對初次霧化的研究項目也于2019年獲得了國家自然科學(xué)基金面上項目的資助，即“基于界面不穩(wěn)定性分析的噴嘴近場射流初次霧化機理研究”。

“這個面上項目與之前的青年項目是一脈相承的，是青年項目的補充與拓展。目前，射流初次霧化的機理仍然不明確，現(xiàn)有的初次霧化模型仍然停留在需要經(jīng)驗參數(shù)標(biāo)定和調(diào)試的層面，因此，難以利用現(xiàn)有模型進行射流噴霧特性的預(yù)測模擬。我們擬利用超高速顯微攝影等現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù)來獲取噴嘴近場射流表面變形的微觀結(jié)構(gòu)及演化過程，研究結(jié)構(gòu)、控制以及物性等參數(shù)對射流初次霧化特性的影響規(guī)律?！辈稍L中黎一鍇滿懷信心地介紹道。

與學(xué)生進行學(xué)術(shù)討論

接下來的幾年中，黎一鍇將和團隊其他成員一同并肩作戰(zhàn)，借助北理工先進的平臺繼續(xù)創(chuàng)新。預(yù)計該項目的研究成果將進一步補充和完善噴嘴射流的初次霧化理論，不僅為實現(xiàn)噴嘴射流霧化的預(yù)測式模擬奠定理論基礎(chǔ)，也為提高直噴式內(nèi)燃機的燃燒和排放性能提供理論指導(dǎo)。而這對實現(xiàn)現(xiàn)代內(nèi)燃機能量的高效利用和清潔燃燒具有重要意義。

亦師亦友 培育科研人才

高校教師不僅肩負(fù)著科研攻關(guān)的使命，同時也擔(dān)負(fù)著教書育人的重任。青年人才的培育是科技發(fā)展的動力，更是國家強盛的保證。在初為人師的黎一鍇眼中，那些年輕而有活力的學(xué)生們同時也是自己的哥們兒和朋友。相仿的年紀(jì)賦予他們更多的共同語言，彼此也多一分理解與體諒。

“博士畢業(yè)剛?cè)肼毜臅r候，感覺自己還是個學(xué)生，跟學(xué)生們的相處完全是同學(xué)之間的那種感覺。即使在現(xiàn)在，我看待我的學(xué)生們更像是朋友和合作者，相互之間都是平等地進行學(xué)術(shù)討論和交流。我特別尊重他們的學(xué)術(shù)興趣，希望他們能夠按照自己的興趣和好奇心選擇想要研究的內(nèi)容。因為幾年前我也曾經(jīng)和他們一樣，我也是這樣一步一步走向科研之路的?！焙蛯W(xué)生們打成一片的黎一鍇總能結(jié)合自己以往的經(jīng)驗，從方方面面去開導(dǎo)學(xué)生、幫助學(xué)生，更像是一位可靠的兄長。直到現(xiàn)在，那些已經(jīng)畢業(yè)的學(xué)生們有了問題也還會和他交流探討。

而在學(xué)術(shù)研究上，黎一鍇也十分注重學(xué)生科研能力的培養(yǎng)。在他看來，與解決問題相比，發(fā)現(xiàn)問題的能力更為重要，“實際上不光是做科研，將來進入企業(yè)后，要想獨當(dāng)一面的話，必須要具備發(fā)現(xiàn)問題的能力，而發(fā)現(xiàn)問題就是將實際工程問題抽象成為一個可以研究的理論問題的過程”。為了培養(yǎng)學(xué)生們這方面的能力，上課時黎一鍇在講完知識點的基礎(chǔ)上，還會盡量把相關(guān)理論產(chǎn)生的背景交代清楚，讓學(xué)生體會新理論的發(fā)現(xiàn)過程，做到知其然并知其所以然。“只有搞清楚理論產(chǎn)生的背景，才能清楚地知道它的應(yīng)用范圍，在遇到類似的問題時才會靈活運用相關(guān)理論去解決，而且通過這種發(fā)現(xiàn)教學(xué)能顯著提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力?！崩枰诲|強調(diào)說。

如今，在北理工對年輕老師大力扶持的政策下，黎一鍇的研究與教學(xué)工作都在順利進行中。對于未來，他充滿信心，夯實基礎(chǔ)，從最根本的理論出發(fā)，在與其他科研院所的通力合作下，他將在噴霧機理的探索之路上繼續(xù)前行。