夯實基礎才能飛得更高
——記北京理工大學機械與車輛學院副教授黎一鍇

□ 陳 璐

黎一鍇講授專業課

“要瞄準世界科技前沿，強化基礎研究，實現前瞻性基礎研究、引領性原創成果重大突破。”“加強應用基礎研究，拓展實施國家重大科技項目……”在黨的十九大報告中，習近平總書記用了整整一段話來闡述基礎研究、創新的重要性。毋庸置疑，只有在基礎科學研究上取得突破，才能引發技術上的真正變革。然而，基礎科學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的工程問題。”注重基礎理論研究，一直以來都是北京理工大學機械與車輛學院副教授黎一鍇堅持的科研理念。“比如想要提高內燃機的效率，就要從燃燒出發去考慮。內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生的化學反應。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量，這是源頭上的東西。”黎一鍇詳細地介紹道。多年以來，這位年輕的“85后”學者一直在內燃機噴霧燃燒研究的領域內默默耕耘，從細微處著手，運用流體力學、燃燒學等基礎理論在研究的道路上不斷探索，踐行著新時代青年學者的光榮使命。

越了解越喜愛 走上科研路

“高考的時候，我對于專業還很迷茫。2004年正好是汽車工業快速發展的時候我就選了汽車專業。之后，就被北京航空航天大學（以下簡稱‘北航’）汽車工程系錄取了。”黎一鍇與內燃機研究的結緣就這樣開始了。當時他也未曾料到這個“隨便”選的專業，竟會引領他走上科研之路，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。經過本科階段的逐漸了解、深入學習后，黎一鍇愈發喜愛上了這一專業，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府，有著濃厚的航空航天背景，當時新興的汽車工程系也有別于其他普通高校。“北航的汽車工程系雖然名叫汽車系，但實際上是從航空動力系分出來的，雖然應用領域不同，但是基礎知識是相通的。因此，像流體力學、工程熱力學、傳熱學等，當時我們都是跟航空系一塊上課。”采訪中黎一鍇介紹說。正是這種系統而全方位的訓練和學習，為他日后從事相關領域的研究打下了扎實的基礎。勤奮好學的黎一鍇順利保送為北航動力工程及工程熱物理專業的碩士研究生,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動下，他不斷攀登著科研的學術高峰。“大四的時候曾經去法國巴黎交流，讓我覺得國外在燃燒基礎研究方面還是有比較強的優勢，于是，我想去國外學習一下燃燒流體這種基礎層面的研究方式和研究內容。”在碩士導師的推薦下，黎一鍇將日本名古屋大學的航空工學系作為科研之旅的第二站，開始了博士階段的學習。

“我的博士生導師是前日本燃燒學會會長梅村章先生，他是國際噴霧燃燒領域的著名學者，是該領域頂級期刊Combustion and flame的副主編，專業性非常強。我是他的最后一名學生，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自內心的那份尊重。

常言道名師出高徒。在跟隨梅村章先生學習的短短幾年中，黎一鍇受益匪淺。“梅村老師特別強調基礎理論的學習，博士階段我做的第一件事就是補充數學和物理學知識。剛開始的時候并沒有領會學習這些基礎知識的意義，只是覺得它們枯燥而難學，但突破這個困難之后，就發現其實基礎理論也挺有意思的，尤其是當時學習的流體基礎理論直到現在對我的研究仍然影響很大。”采訪中黎一鍇感慨道。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理論去思考，“我現在的一些研究思路、方式，都是在那時形成的”。

學成歸來 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。想要繼續從事內燃機基礎理論研究的黎一鍇在博士畢業后，開始面臨職業選擇。一次偶然的機會，他了解到北京理工大學（以下簡稱“北理工”）機械與車輛學院無論是師資力量還是實驗條件等方面都很不錯，特別是內燃機燃燒課題組組長劉福水教授注重基礎問題的研究，急需這方面的人才。經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。

學成歸來的黎一鍇順理成章地成為北理工的一員，開啟了內燃機研究的新征途。而北理工優越的實驗條件更為他日后的研究提供了強而有力的支持。“我們在西山有個專門的實驗室，有一層樓全是光學設備。這些光學設備在國際上都是領先的，利用這些先進的設備我們就可以觀察到發動機里面的噴霧、燃燒過程，相當于把缸內的燃燒過程可視化了，非常有利于去研究燃燒的機理。”談到試驗設備，黎一鍇的言語中充滿了喜悅與自豪。

正是得益于當前國家對科研領域的重視，得益于學校對基礎研究的支持與投資，黎一鍇才有機會借助這些價格昂貴、特別制造的耐高溫、高壓的玻璃設備做科研。心無旁騖地搞科研，爭取更多創新成果，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。如何將基礎研究和當時課題組所做的偏應用的工程問題結合起來呢？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學表達式，才能從根本上解決它”。而一次某型號內燃機進排氣系統結構的改進設計更讓黎一鍇驗證了基礎問題研究的重要性。

當時他們正針對即將投產的某型號內燃機進氣不足的問題進行科研攻關。依照傳統工程研究的方法，需要按照經驗參數去設計進排氣道的結構，不會考慮這些經驗參數設置的適切性和合理性。而這次，黎一鍇利用流體力學相關理論進行了縝密的推導驗算，并得出最優解。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，經過一番對比測量之后，理論推算的最優解也得到了實驗的印證。“當時覺得很有成就感，如果在做工程設計的時候，能夠讓每一步都找到理論支撐，那就是非常扎實的設計了，而且可以少走很多彎路。”這次經歷使黎一鍇信心倍增，工程中還有很多基礎問題的研究沒有解決，他在博士階段的所學有了用武之地。

霧化研究 小中見大

說到內燃機，人們不會感到陌生。其因熱效率高、功率范圍廣，已被廣泛應用于農業、工業、交通和國防建設等各個領域。然而，隨著內燃機行業的飛速發展，一些問題也逐漸浮出水面，尤其是日益嚴重的能源短缺與環境污染問題。為了確保能源供應安全，我國制定了嚴格的乘用車油耗標準：到2020年，當年生產的乘用車平均燃料消耗量降至5.0L/100km，節能型乘用車燃料消耗量降至4.5L/100km以下。同時，內燃機的燃燒排放物也是城市大氣環境的重要污染源，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注的熱點問題。

長期以來，燃油霧化一直是內燃機燃燒技術研究的難點。燃料霧化即指將液體燃料分散成細小顆粒的過程。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量，進而影響發動機的經濟性、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青年基金項目“動態慣性力作用下表面張力波誘導液滴霧化機理的研究”正式拉開帷幕。

“在直噴式內燃機中，燃油霧化大體上可以分為兩個過程。液態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，連續液柱會發生所謂的‘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構。在這些初次霧化的產物中，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，大尺度的連續液柱會最終破碎成小尺度的、容易蒸發和燃燒的液滴。”采訪中，黎一鍇生動地解釋道。

據介紹，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、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，闡明缸內燃油液滴的二次霧化機理是弄清燃油霧化過程的基礎，也是控制直噴式內燃機缸內燃油擴散燃燒的關鍵。在該項目中，他計劃利用現代光學的測試手段，結合高精度氣液兩相流的模擬技術，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。

在即將完成關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基金面上項目的資助，即“基于界面不穩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，現有的初次霧化模型仍然停留在需要經驗參數標定和調試的層面，因此，難以利用現有模型進行射流噴霧特性的預測模擬。我們擬利用超高速顯微攝影等現代光學測試技術來獲取噴嘴近場射流表面變形的微觀結構及演化過程，研究結構、控制以及物性等參數對射流初次霧化特性的影響規律。”采訪中黎一鍇滿懷信心地介紹道。

與學生進行學術討論

接下來的幾年中，黎一鍇將和團隊其他成員一同并肩作戰，借助北理工先進的平臺繼續創新。預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，不僅為實現噴嘴射流霧化的預測式模擬奠定理論基礎，也為提高直噴式內燃機的燃燒和排放性能提供理論指導。而這對實現現代內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

高校教師不僅肩負著科研攻關的使命，同時也擔負著教書育人的重任。青年人才的培育是科技發展的動力，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生們同時也是自己的哥們兒和朋友。相仿的年紀賦予他們更多的共同語言，彼此也多一分理解與體諒。

“博士畢業剛入職的時候，感覺自己還是個學生，跟學生們的相處完全是同學之間的那種感覺。即使在現在，我看待我的學生們更像是朋友和合作者，相互之間都是平等地進行學術討論和交流。我特別尊重他們的學術興趣，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容。因為幾年前我也曾經和他們一樣，我也是這樣一步一步走向科研之路的。”和學生們打成一片的黎一鍇總能結合自己以往的經驗，從方方面面去開導學生、幫助學生，更像是一位可靠的兄長。直到現在，那些已經畢業的學生們有了問題也還會和他交流探討。

而在學術研究上，黎一鍇也十分注重學生科研能力的培養。在他看來，與解決問題相比，發現問題的能力更為重要，“實際上不光是做科研，將來進入企業后，要想獨當一面的話，必須要具備發現問題的能力，而發現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”。為了培養學生們這方面的能力，上課時黎一鍇在講完知識點的基礎上，還會盡量把相關理論產生的背景交代清楚，讓學生體會新理論的發現過程，做到知其然并知其所以然。“只有搞清楚理論產生的背景，才能清楚地知道它的應用范圍，在遇到類似的問題時才會靈活運用相關理論去解決，而且通過這種發現教學能顯著提高學生發現問題、解決問題的能力。”黎一鍇強調說。

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工作都在順利進行中。對于未來，他充滿信心，夯實基礎，從最根本的理論出發，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前行。