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

專家簡介：

楊立新，北京交通大學機械與電子控制工程學院副教授。在清華大學熱能工程系獲工學碩士和工學博士學位，主要從事金屬快速熔凝過程界面特性研究，結合CFD模擬技術進行激光加工熔化和凝固全過程的數值模擬研究；2006年在北京交通大學機電學院任教以來，主持了多項國防領域的CFD數值模擬項目。長期從事傳熱傳質、凝結換熱、微細通道相變流動傳熱和多物理場耦合等方面研究，做了大量的創新工作，近年來在國內外重要學術期刊和學術會議上發表學術論文20余篇。

在沒見到楊立新之前，記者就聽聞他是一個十足的棋迷，是資深的圍棋愛好者。待到見面之后，他本人親自證實了這一說法。在日常緊張的科研、交流和教學工作之余，他已經極少有屬于自己的業余時間了，但是只要有片刻的功夫，楊立新一定會擺上棋盤找人殺上一盤或者獨自一個人打譜，這種在別人眼中又費腦子又勞心的事兒，在楊立新看來卻是一種最佳的放松和休息方式。

對此，楊立新解釋，別小看了這黑白之道，里面蘊含的哲理卻是深不可測。圍棋的變數極多，進退攻守，取舍得失。不堅持到最后一步，決不能放棄希望。人生如棋，科研事業也是如此，只要不輕言放棄，就會有翻盤成功的可能。

開局艱辛：步步為營的人生積累

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

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，才能扎實穩定。圍棋中講究“勢”，勢就是為將來獲勝的可能所做的積累。楊立新在年輕的時候就為自己的科研之路做足了高瞻遠矚的規劃。

1991年在南京航天航空大學動力系本科畢業之后，由于所學的是飛機發動機熱能工程的領域，所以楊立新被分配到沈陽航空發動機研究所，從事發動機渦輪相關的一些設計和分析工作。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。一來是對于當時國家發展航空科技的大環境的判斷；二來是對自身能力的高標準要求，他毅然決定繼續深造，并且成功考取了清華大學工程熱物理專業的碩士研究生。

凡事，預則立，不預則廢。明確的目標，便會產生積極的行動。楊立新預計，熱能工程領域必將成為世界范圍內十分重要的發展方向，而在我國，這一領域更是擁有許多努力和發展的空間，從科學到技術再到產業，這雖然是一條崎嶇之路，但是卻跟我國的經濟發展息息相關，蘊藏著巨大的生產力。建電站、建電廠、建鍋爐、建電機，這些方面都與熱能工程密不可分，具有極大的需求，必將對我國的國民經濟做出重要貢獻。帶著對熱能工程領域的濃厚興趣和熱情，楊立新投入到新的一輪學習過程中去，他廢寢忘食，早出晚歸，大部分時間都泡在實驗室里。然而在科研高峰的攀登路途上不可能是一馬平川的，不可避免會遇到各種困難，而克服困難本身就是成為一名優秀科學家的必經之路。

“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90年代末才真正進入我國，國內的研究所和設計單位才開始接觸，都處在摸索階段。之前沒有人做過，數值模擬需要編寫大量的計算程序，同時也有許多算法要做。但受當時計算機條件的限制，往往點擊一個操作之后，你可以回家去睡一覺，然后再過來進行下一個操作。這種理論上可行，但實際操作不可行就造成了我們80%的時間都用在調試機器上了，每天進展甚微，久而久之，需要調節就不僅僅是設備了，更是自己的心態。”楊立新笑著向記者介紹當時的困境，這樣的困境在今天聽起來仿佛只是一個笑話，但在當時卻給楊立新帶去了極大的困擾，“我們只好找來軟件的開發者來進行調整，好在最終還是把這個困難解決掉了。CFD楊立新一做就做了10多年，積硅步至千里，如今他被公認為領域里領跑人。難怪行業里流行一句話：“做CFD，去北交大找楊老師！”

楊立新清楚，時刻保持與國際接軌，科學研究才能達到更高的水平。所以在2009年到2010年這一年赴美國休斯敦大學做訪問學者是他一段寶貴的經歷。此行最大的收獲就是可以有更多機會接觸國際前沿的課題和更加完備的實驗設施，可以面對面地同國外同行交流溝通，參加了一些國際會議，開拓一下視野，鍛煉一下能力，從而確定下來一個自己在該領域比較前沿的研究方向，進一步結識一些這個方向比較頂級的專家學者。

有些時候，人的潛能是需要在一種特定的環境中才能激發出來的，就像棋逢高手，自己也能超水平發揮。楊立新渴望接受高難度的挑戰，但同時他也能做到冷靜分析局面。在他看來，就熱能工程領域，同國外同行相比，我國的學科起步確實比較晚，尤其是在科研經費和人才培養方面差距較大。但是隨著經濟的發展，國家在這方面的投入已經有了明顯的提高，尤其是在這個領域的偏基礎方面的研究大有迎頭趕上之勢，同國際上的差距日漸縮小。但是在本領域的尖端方面，我們的差距非常還很明顯。楊立新認為主要體現在有引領性的高水平的論文少以及具有創新性的思想更少！雖然這與前面所說的科研設備的投入有很大關系，但是楊立新也一針見血地指出，實際上是我國嚴重缺乏學習能力和創新能力。對于國外先進技術的學習和效仿，采用生搬硬套的“克隆”方法，或通過簡單的“抄襲”途經是難以長久的。

楊立新向記者舉例，之前我國大部分的反應堆都是從國外引進的，但是如果我們要出口給其他國家的話，必須擁有自主的知識產權。這個自主產權里面最麻煩的就是燃料組件，它在反應堆里面的地位就相當于一部汽車里的發動機，受保護的地方特別多，比如支撐燃料棒的定位格架上小到一個掛鉤的形式都有專利保護，當我們要去改進的時候，就不能只是簡單地去模仿了，而是要有自主設計和研發的能力。這就要求我們要迫切提高自我學習能力和自主創新能力，通過學習先進國家的經驗，對比自身的不足，并有創造性的將所學運用于實踐中，不斷增強我國的熱能工程領域的硬實力。

幸福一家

中盤精彩：高瞻遠矚的學科探索

如果把科研事業比作一場棋局，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”，就是這個道理。未雨綢繆，高瞻遠矚是一位優秀科研工作者的基本素質。楊立新就把目光投向了學科領域中比較前沿基礎的地方，用他的話講：“我研究的內容，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。”

比如航空工業科技，它的發展水平體現了一個國家的綜合國力。而航空發動機作為飛機的“心臟”更被喻為“工業皇冠上的明珠”，如何實現自主創新，一直是我國航空制造業迫切解決的難題之一。將航空發動機提上國家戰略層面是大勢所趨，為此，國家在三個五年計劃里持續開展了航空推進技術驗證計劃，該計劃是以提升航空發動機設計能力為宗旨，以技術驗證為核心，以打基礎、建體系為主線的一個航空發動機驗證計劃。推進航空發動機研制從“傳統設計”向“預測設計”的轉變，為航空發動機長遠可持續發展奠定堅實的技術基礎。楊立新在航空發動機領域的能力和成就，使他也被邀請共同參與到這個高級別的項目中來，主要負責解決發動機的防冰問題，包括發動機內部結構的流動傳熱特性以及渦輪葉片的一些氣動特性等等方面。這些在當時都屬于關于發動機的預研性的重大課題，時至今日，在楊立新的努力下都已取得了階段性的成績。

在2011年，楊立新完成了自己獨立主持的第一個國家自然基金面上項目——電磁場驅動納米管線旋轉的實驗及數值模擬研究。在當時，這是一個非常新的方向，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量已經趨于極限。采用‘基于納米管線’的納電子學取代‘基于硅技術’的微電子學是突破該極限的有效途徑。新技術基于流體自適應機制，采用外加電磁場控制納米管線運動，‘由小而大’制造下一代電子芯片，取代常規‘由大而小’的制造技術。通過控制納米管線的運動進而控制芯片成型加工的技術難題成為限制該技術發展的主要瓶頸。楊立新在這一課題方向進行了探索性試驗研究，在外加電磁場驅動下，他和他的團隊觀測到了納米管線的運動，并積累了大量相關實驗數據和研究經驗。

除此之外，在微納米尺度效應的研究方面，楊立新也進行了大量基礎性研究，他發現：雖然納米管線在徑向處于納米尺度，而長度方向尺寸是數十微米的量級，其在液體里的運動仍然可以采用基于連續介質假設的Navier-Stockes方程并通過加入相關邊界修正及其他納米尺度效應的修正實現數學模型描述，因此，該運動仍可以用基于連續介質假設的計算流體力學（CFD）數值模擬手段加以研究。

該項目的特色和創新之處在于楊立新首次將 CFD數值模擬方法引入納米管線在外加磁場作用下旋轉運動的研究中，結合他在前期取得的微納米相關研究成果，建立復雜耦合多物理場、多因素作用下的納米管線旋轉運動現象數學模型；將納米尺度效應、外加電磁場力、慣性力、粘性力、重力和 Brownian力的作用在數學模型中綜合體現，并實現CFD數值模擬。為電磁場驅動的納米管線運動在生物、醫學、工程MEMS的進一步運用提供科學依據，具有重要的理論意義和工程應用價值。

隨著航空航天、微電子、汽車、輕工、醫療和核工業等的迅猛發展，對零件的材料性能要求越來越高，結構形狀越來越復雜，加工精度和表面完整性要求越來越高，傳統的機械加工方法在高技術制造領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，日益得到廣泛的應用。世界上各工業發達國家把激光等高能束流加工技術稱為 “將為材料加工和制備技術帶來革命性變化”，紛紛投入巨額資金，相繼建立高能束流熱源和加工技術中心。

楊立新和家人合影

楊立新在研究中發現，激光高能量密度、極好的單色性和超短脈沖直接導致極高的局部溫度和溫度梯度，造成物系和過程遠離平衡態，也必然出現諸多超常的陌生現象，使局部熱平衡等經典理論描述出現偏差，甚至失效，這是真正影響激光加工/處理質量的內在因素。于是他針對激光光源作用下局部區域產生的微細傳遞現象和動態演化過程，著重闡明激光光源束能模式、脈沖頻率、波長與被加工處理對象的材料性質等相互耦合作用所誘發的光能轉換、內部能質形態轉換與傳遞基本形式、材料性態改變等演化規律和物理機制，建立相應的宏觀性能數理模型，并通過數值和實驗手段分析典型激光加工處理過程熔池特性和加熱區性能演變過程，總結激光加工工藝控制參數的影響規律，為優化利用激光加工工藝、提高產品加工質量等提供理論依據。

該在研項目的工作難度很大，尤其對實驗觀察測試基礎條件和測試技術可行性等都要求很高，而且應用光子與物質微觀粒子和結構的相互作用理論，求解分析光能轉換和材料內部能量形態轉換與傳遞、材料性態轉變，以及它們之間相互耦合等基本特性規律，也是對于研究的一個極大考驗。但是楊立新其實在清華大學相變與界面傳遞現象實驗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值分析和實驗等基礎性研究工作，對其中的許多重要方面都有很深的考慮，這個項目也正是基于學位論文研究和后來實際工作中的進一步思考而提出的研究課題，具有延續和拓展性，這一研究學術思路新穎，是目前同類研究中比較前沿的內容，以楊立新在CFD和多物理場數值模領域近15年的研究工作積累和對研究現狀的了解，很有可能取得創新性基礎研究成果。

楊立新

收官完美：知己知彼的產學研合作

在國內高校與企業的產學研相結合方面，楊立新是公認的典型代表人物。他無時無刻不在思索著兩個問題：一個是解決熱能工程中的原創性科學問題；另一個則是熱能領域的產業化問題，要確確實實為企業解決一些難題，創造更大的價值。

在楊立新看來，目前國內有太多的科研成果躺在實驗室的報告里面，高校科研同企業的工程嚴重脫節。高校只培養人才，產生思想，然后成果卻很難轉化成為市場生產力，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校科研的雙重經歷是楊立新的一個優勢，他提出要換位思考，你得知道企業的難處在哪？去主動結合企業的需求，做到知己知彼，量體裁衣。了解企業需要什么，我們能夠提供什么，結合高校的研究方向和企業的需要，然后去做，深入之后，效果才會更明顯，而不是一味地只是為了發表論文而去做一些研究。

楊立新認為另一個關鍵在于做事的持續性。無論是科研本身還是與企業的合作，熱能工程的研究沒有捷徑可走，來不得半點虛假和自欺欺人，任何憑“僥幸”心理試圖一舉成功的做法都是不可能的。科學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。“為什么我們總要提‘兩彈一星’的精神？因為往往做到最后決定成敗的不是技術問題，而是你這個人搞科研的一種態度的反饋！”楊立新斬釘截鐵地說。

楊立新會把他的這一觀點在日常的教學中灌輸給他的學生們，在他眼中，他的學生們都是非常優秀的，只不過還需要時間的積累和修為。他認為，“搞科研要坐十年冷板凳”這句警言永遠不過時。科研像跑馬拉松，而不是百米競賽，智力的差別并不大，關鍵在于你能堅持一年還是十年還是一輩子？至于名氣、榮譽、獲獎這些事，統統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的對弈，他用一生去完成這一棋局，對手不是別人，是自己，戰勝自己往往比戰勝別人更重要。而他享受的，正是這個過程中的樂趣，而不僅僅在于結果本身。