杨立新：人生如棋 科研如棋

本刊记者　刘　江

杨立新：人生如棋 科研如棋

本刊记者刘江

专家简介：

杨立新，北京交通大学机械与电子控制工程学院副教授。在清华大学热能工程系获工学硕士和工学博士学位，主要从事金属快速熔凝过程界面特性研究，结合CFD模拟技术进行激光加工熔化和凝固全过程的数值模拟研究；2006年在北京交通大学机电学院任教以来，主持了多项国防领域的CFD数值模拟项目。长期从事传热传质、凝结换热、微细通道相变流动传热和多物理场耦合等方面研究，做了大量的创新工作，近年来在国内外重要学术期刊和学术会议上发表学术论文20余篇。

在没见到杨立新之前，记者就听闻他是一个十足的棋迷，是资深的围棋爱好者。待到见面之后，他本人亲自证实了这一说法。在日常紧张的科研、交流和教学工作之余，他已经极少有属于自己的业余时间了，但是只要有片刻的功夫，杨立新一定会摆上棋盘找人杀上一盘或者独自一个人打谱，这种在别人眼中又费脑子又劳心的事儿，在杨立新看来却是一种最佳的放松和休息方式。

对此，杨立新解释，别小看了这黑白之道，里面蕴含的哲理却是深不可测。围棋的变数极多，进退攻守，取舍得失。不坚持到最后一步，决不能放弃希望。人生如棋，科研事业也是如此，只要不轻言放弃，就会有翻盘成功的可能。

开局艰辛：步步为营的人生积累

位于北京西直门外高粱桥斜街的北京交通大学机电学院，是杨立新的工作地点。闹中取静的办公楼显得已经有些破旧了，这和想象中那些高大上的科研环境有些相差甚远。然而就是在这里，杨立新先后主持完成了两个国家级自然基金的面上项目以及大大小小的省部级和北交大的项目几十项，取得了骄人的成绩。

深谙围棋之道的杨立新明白，棋要一步一步下，科研之路要一步一步走，只有步步为营，才能扎实稳定。围棋中讲究“势”，势就是为将来获胜的可能所做的积累。杨立新在年轻的时候就为自己的科研之路做足了高瞻远瞩的规划。

1991年在南京航天航空大学动力系本科毕业之后，由于所学的是飞机发动机热能工程的领域，所以杨立新被分配到沈阳航空发动机研究所，从事发动机涡轮相关的一些设计和分析工作。这在别人看来令人艳羡的“铁饭碗”在杨立新心中却并没有得到满足。一来是对于当时国家发展航空科技的大环境的判断；二来是对自身能力的高标准要求，他毅然决定继续深造，并且成功考取了清华大学工程热物理专业的硕士研究生。

凡事，预则立，不预则废。明确的目标，便会产生积极的行动。杨立新预计，热能工程领域必将成为世界范围内十分重要的发展方向，而在我国，这一领域更是拥有许多努力和发展的空间，从科学到技术再到产业，这虽然是一条崎岖之路，但是却跟我国的经济发展息息相关，蕴藏着巨大的生产力。建电站、建电厂、建锅炉、建电机，这些方面都与热能工程密不可分，具有极大的需求，必将对我国的国民经济做出重要贡献。带着对热能工程领域的浓厚兴趣和热情，杨立新投入到新的一轮学习过程中去，他废寝忘食，早出晚归，大部分时间都泡在实验室里。然而在科研高峰的攀登路途上不可能是一马平川的，不可避免会遇到各种困难，而克服困难本身就是成为一名优秀科学家的必经之路。

“比如CFD模拟仿真手段是很重要的一种工具，但是商用的CFD软件在20世纪90年代末才真正进入我国，国内的研究所和设计单位才开始接触，都处在摸索阶段。之前没有人做过，数值模拟需要编写大量的计算程序，同时也有许多算法要做。但受当时计算机条件的限制，往往点击一个操作之后，你可以回家去睡一觉，然后再过来进行下一个操作。这种理论上可行，但实际操作不可行就造成了我们80%的时间都用在调试机器上了，每天进展甚微，久而久之，需要调节就不仅仅是设备了，更是自己的心态。”杨立新笑着向记者介绍当时的困境，这样的困境在今天听起来仿佛只是一个笑话，但在当时却给杨立新带去了极大的困扰，“我们只好找来软件的开发者来进行调整，好在最终还是把这个困难解决掉了。CFD杨立新一做就做了10多年，积硅步至千里，如今他被公认为领域里领跑人。难怪行业里流行一句话：“做CFD，去北交大找杨老师！”

杨立新清楚，时刻保持与国际接轨，科学研究才能达到更高的水平。所以在2009年到2010年这一年赴美国休斯敦大学做访问学者是他一段宝贵的经历。此行最大的收获就是可以有更多机会接触国际前沿的课题和更加完备的实验设施，可以面对面地同国外同行交流沟通，参加了一些国际会议，开拓一下视野，锻炼一下能力，从而确定下来一个自己在该领域比较前沿的研究方向，进一步结识一些这个方向比较顶级的专家学者。

有些时候，人的潜能是需要在一种特定的环境中才能激发出来的，就像棋逢高手，自己也能超水平发挥。杨立新渴望接受高难度的挑战，但同时他也能做到冷静分析局面。在他看来，就热能工程领域，同国外同行相比，我国的学科起步确实比较晚，尤其是在科研经费和人才培养方面差距较大。但是随着经济的发展，国家在这方面的投入已经有了明显的提高，尤其是在这个领域的偏基础方面的研究大有迎头赶上之势，同国际上的差距日渐缩小。但是在本领域的尖端方面，我们的差距非常还很明显。杨立新认为主要体现在有引领性的高水平的论文少以及具有创新性的思想更少！虽然这与前面所说的科研设备的投入有很大关系，但是杨立新也一针见血地指出，实际上是我国严重缺乏学习能力和创新能力。对于国外先进技术的学习和效仿，采用生搬硬套的“克隆”方法，或通过简单的“抄袭”途经是难以长久的。

杨立新向记者举例，之前我国大部分的反应堆都是从国外引进的，但是如果我们要出口给其他国家的话，必须拥有自主的知识产权。这个自主产权里面最麻烦的就是燃料组件，它在反应堆里面的地位就相当于一部汽车里的发动机，受保护的地方特别多，比如支撑燃料棒的定位格架上小到一个挂钩的形式都有专利保护，当我们要去改进的时候，就不能只是简单地去模仿了，而是要有自主设计和研发的能力。这就要求我们要迫切提高自我学习能力和自主创新能力，通过学习先进国家的经验，对比自身的不足，并有创造性的将所学运用于实践中，不断增强我国的热能工程领域的硬实力。

幸福一家

中盘精彩：高瞻远瞩的学科探索

如果把科研事业比作一场棋局，不能只看眼前的一子一地，要有高屋建瓴的全局观才可能获得更大的成功。下棋的人总爱讲“走一步，看三步”，就是这个道理。未雨绸缪，高瞻远瞩是一位优秀科研工作者的基本素质。杨立新就把目光投向了学科领域中比较前沿基础的地方，用他的话讲：“我研究的内容，可能十年二十年用不上，但是二十年后要用到的东西，我们还是要提前去做一些探索。”

比如航空工业科技，它的发展水平体现了一个国家的综合国力。而航空发动机作为飞机的“心脏”更被喻为“工业皇冠上的明珠”，如何实现自主创新，一直是我国航空制造业迫切解决的难题之一。将航空发动机提上国家战略层面是大势所趋，为此，国家在三个五年计划里持续开展了航空推进技术验证计划，该计划是以提升航空发动机设计能力为宗旨，以技术验证为核心，以打基础、建体系为主线的一个航空发动机验证计划。推进航空发动机研制从“传统设计”向“预测设计”的转变，为航空发动机长远可持续发展奠定坚实的技术基础。杨立新在航空发动机领域的能力和成就，使他也被邀请共同参与到这个高级别的项目中来，主要负责解决发动机的防冰问题，包括发动机内部结构的流动传热特性以及涡轮叶片的一些气动特性等等方面。这些在当时都属于关于发动机的预研性的重大课题，时至今日，在杨立新的努力下都已取得了阶段性的成绩。

在2011年，杨立新完成了自己独立主持的第一个国家自然基金面上项目——电磁场驱动纳米管线旋转的实验及数值模拟研究。在当时，这是一个非常新的方向，基于硅片的微电子芯片受到加工制造限制，其可以容纳的晶体管数量已经趋于极限。采用‘基于纳米管线’的纳电子学取代‘基于硅技术’的微电子学是突破该极限的有效途径。新技术基于流体自适应机制，采用外加电磁场控制纳米管线运动，‘由小而大’制造下一代电子芯片，取代常规‘由大而小’的制造技术。通过控制纳米管线的运动进而控制芯片成型加工的技术难题成为限制该技术发展的主要瓶颈。杨立新在这一课题方向进行了探索性试验研究，在外加电磁场驱动下，他和他的团队观测到了纳米管线的运动，并积累了大量相关实验数据和研究经验。

除此之外，在微纳米尺度效应的研究方面，杨立新也进行了大量基础性研究，他发现：虽然纳米管线在径向处于纳米尺度，而长度方向尺寸是数十微米的量级，其在液体里的运动仍然可以采用基于连续介质假设的Navier-Stockes方程并通过加入相关边界修正及其他纳米尺度效应的修正实现数学模型描述，因此，该运动仍可以用基于连续介质假设的计算流体力学（CFD）数值模拟手段加以研究。

该项目的特色和创新之处在于杨立新首次将 CFD数值模拟方法引入纳米管线在外加磁场作用下旋转运动的研究中，结合他在前期取得的微纳米相关研究成果，建立复杂耦合多物理场、多因素作用下的纳米管线旋转运动现象数学模型；将纳米尺度效应、外加电磁场力、惯性力、粘性力、重力和 Brownian力的作用在数学模型中综合体现，并实现CFD数值模拟。为电磁场驱动的纳米管线运动在生物、医学、工程MEMS的进一步运用提供科学依据，具有重要的理论意义和工程应用价值。

随着航空航天、微电子、汽车、轻工、医疗和核工业等的迅猛发展，对零件的材料性能要求越来越高，结构形状越来越复杂，加工精度和表面完整性要求越来越高，传统的机械加工方法在高技术制造领域所占的比重正日益减少，以激光为代表的高能束加工等特种加工方法，日益得到广泛的应用。世界上各工业发达国家把激光等高能束流加工技术称为 “将为材料加工和制备技术带来革命性变化”，纷纷投入巨额资金，相继建立高能束流热源和加工技术中心。

杨立新和家人合影

杨立新在研究中发现，激光高能量密度、极好的单色性和超短脉冲直接导致极高的局部温度和温度梯度，造成物系和过程远离平衡态，也必然出现诸多超常的陌生现象，使局部热平衡等经典理论描述出现偏差，甚至失效，这是真正影响激光加工/处理质量的内在因素。于是他针对激光光源作用下局部区域产生的微细传递现象和动态演化过程，着重阐明激光光源束能模式、脉冲频率、波长与被加工处理对象的材料性质等相互耦合作用所诱发的光能转换、内部能质形态转换与传递基本形式、材料性态改变等演化规律和物理机制，建立相应的宏观性能数理模型，并通过数值和实验手段分析典型激光加工处理过程熔池特性和加热区性能演变过程，总结激光加工工艺控制参数的影响规律，为优化利用激光加工工艺、提高产品加工质量等提供理论依据。

该在研项目的工作难度很大，尤其对实验观察测试基础条件和测试技术可行性等都要求很高，而且应用光子与物质微观粒子和结构的相互作用理论，求解分析光能转换和材料内部能量形态转换与传递、材料性态转变，以及它们之间相互耦合等基本特性规律，也是对于研究的一个极大考验。但是杨立新其实在清华大学相变与界面传递现象实验室攻读硕士博士期间，就开始从事激光加工过程熔池特性的数值分析和实验等基础性研究工作，对其中的许多重要方面都有很深的考虑，这个项目也正是基于学位论文研究和后来实际工作中的进一步思考而提出的研究课题，具有延续和拓展性，这一研究学术思路新颖，是目前同类研究中比较前沿的内容，以杨立新在CFD和多物理场数值模领域近15年的研究工作积累和对研究现状的了解，很有可能取得创新性基础研究成果。

杨立新

收官完美：知己知彼的产学研合作

在国内高校与企业的产学研相结合方面，杨立新是公认的典型代表人物。他无时无刻不在思索着两个问题：一个是解决热能工程中的原创性科学问题；另一个则是热能领域的产业化问题，要确确实实为企业解决一些难题，创造更大的价值。

在杨立新看来，目前国内有太多的科研成果躺在实验室的报告里面，高校科研同企业的工程严重脱节。高校只培养人才，产生思想，然后成果却很难转化成为市场生产力，两者之间总还相差着最后一公里，而杨立新立志于将这最后一公里的距离打通。

拥有过研究所工作和高校科研的双重经历是杨立新的一个优势，他提出要换位思考，你得知道企业的难处在哪？去主动结合企业的需求，做到知己知彼，量体裁衣。了解企业需要什么，我们能够提供什么，结合高校的研究方向和企业的需要，然后去做，深入之后，效果才会更明显，而不是一味地只是为了发表论文而去做一些研究。

杨立新认为另一个关键在于做事的持续性。无论是科研本身还是与企业的合作，热能工程的研究没有捷径可走，来不得半点虚假和自欺欺人，任何凭“侥幸”心理试图一举成功的做法都是不可能的。科学前沿的重要问题往往都是世界性难题，既要靠智力，也要靠专注和毅力。“为什么我们总要提‘两弹一星’的精神？因为往往做到最后决定成败的不是技术问题，而是你这个人搞科研的一种态度的反馈！”杨立新斩钉截铁地说。

杨立新会把他的这一观点在日常的教学中灌输给他的学生们，在他眼中，他的学生们都是非常优秀的，只不过还需要时间的积累和修为。他认为，“搞科研要坐十年冷板凳”这句警言永远不过时。科研像跑马拉松，而不是百米竞赛，智力的差别并不大，关键在于你能坚持一年还是十年还是一辈子？至于名气、荣誉、获奖这些事，统统没有放在杨立新的心里，于他而言，他的科研生涯就像一盘漫长的对弈，他用一生去完成这一棋局，对手不是别人，是自己，战胜自己往往比战胜别人更重要。而他享受的，正是这个过程中的乐趣，而不仅仅在于结果本身。