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作者：陈 璐 发布时间：2020-01-10
导读： “遇到工程实际问题要从最根本的基础理论角度去考虑，只有把微观机理搞清楚了，才能从根本上解决相关的工程问题。”注重基础理论研究，一直以来都是北京理工大学机械与车辆学院副教授黎一锴坚持的科研理念。
“要瞄准世界科技前沿，强化基础研究，实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破。”“加强应用基础研究，拓展实施国家重大科技项目……”在党的十九大报告中，习近平总书记用了整整一段话来阐述基础研究、创新的重要性。毋庸置疑，只有在基础科学研究上取得突破，才能引发技术上的真正变革。然而，基础科学的研究并非一朝一夕就能见效，它需要科研工作者能够长时间地坐“冷板凳”，并为之持之以恒地付出。
“遇到工程实际问题要从最根本的基础理论角度去考虑，只有把微观机理搞清楚了，才能从根本上解决相关的工程问题。”注重基础理论研究，一直以来都是北京理工大学机械与车辆学院副教授黎一锴坚持的科研理念。“比如想要提高内燃机的效率，就要从燃烧出发去考虑。内燃机最核心的部分就是燃烧，而燃烧就是燃油喷出后和空气混合而产生的化学反应。那燃油如何喷出，喷出后要怎样才能形成好的混合气体？只有把这块儿研究透了、控制好了，才能真正提高燃烧质量，这是源头上的东西。”黎一锴详细地介绍道。多年以来，这位年轻的“85后”学者一直在内燃机喷雾燃烧研究的领域内默默耕耘，从细微处着手，运用流体力学、燃烧学等基础理论在研究的道路上不断探索，践行着新时代青年学者的光荣使命。
越了解越喜爱 走上科研路
“高考的时候，我对于专业还很迷茫。2004年正好是汽车工业快速发展的时候我就选了汽车专业。之后，就被北京航空航天大学（以下简称‘北航’）汽车工程系录取了。”黎一锴与内燃机研究的结缘就这样开始了。当时他也未曾料到这个“随便”选的专业，竟会引领他走上科研之路，并使其为之奋斗整个青春。如同人与人之间的交往，日久才能见真心，才可能成为至交好友。经过本科阶段的逐渐了解、深入学习后，黎一锴愈发喜爱上了这一专业，从此探索的脚步就不曾停歇。
北航作为新中国第一所航空航天高等学府，有着浓厚的航空航天背景，当时新兴的汽车工程系也有别于其他普通高校。“北航的汽车工程系虽然名叫汽车系，但实际上是从航空动力系分出来的，虽然应用领域不同，但是基础知识是相通的。因此，像流体力学、工程热力学、传热学等，当时我们都是跟航空系一块上课。”采访中黎一锴介绍说。正是这种系统而全方位的训练和学习，为他日后从事相关领域的研究打下了扎实的基础。勤奋好学的黎一锴顺利保送为北航动力工程及工程热物理专业的硕士研究生,正式踏上了科研之路。
好奇是快乐的源泉，拥有好奇心，就拥有了强大的生命力。年轻而充满活力的黎一锴正是如此，在好奇心和求知欲的驱动下，他不断攀登着科研的学术高峰。“大四的时候曾经去法国巴黎交流，让我觉得国外在燃烧基础研究方面还是有比较强的优势，于是，我想去国外学习一下燃烧流体这种基础层面的研究方式和研究内容。”在硕士导师的推荐下，黎一锴将日本名古屋大学的航空工学系作为科研之旅的第二站，开始了博士阶段的学习。
“我的博士生导师是前日本燃烧学会会长梅村章先生，他是国际喷雾燃烧领域的著名学者，是该领域顶级期刊Combustion and flame的副主编，专业性非常强。我是他的最后一名学生，他自然对我的要求也特别高。”从黎一锴的言语中，不难感受他到对梅村章先生发自内心的那份尊重。
常言道名师出高徒。在跟随梅村章先生学习的短短几年中，黎一锴受益匪浅。“梅村老师特别强调基础理论的学习，博士阶段我做的第一件事就是补充数学和物理学知识。刚开始的时候并没有领会学习这些基础知识的意义，只是觉得它们枯燥而难学，但突破这个困难之后，就发现其实基础理论也挺有意思的，尤其是当时学习的流体基础理论直到现在对我的研究仍然影响很大。”采访中黎一锴感慨道。潜移默化中，黎一锴更加明白了即使是研究工程问题，也要从最根本的基础理论去思考，“我现在的一些研究思路、方式，都是在那时形成的”。
学成归来 开启新征途
青年时期的所见所闻，常常会影响一个人价值观的形成，甚至决定了今后人生的走向。想要继续从事内燃机基础理论研究的黎一锴在博士毕业后，开始面临职业选择。一次偶然的机会，他了解到北京理工大学（以下简称“北理工”）机械与车辆学院无论是师资力量还是实验条件等方面都很不错，特别是内燃机燃烧课题组组长刘福水教授注重基础问题的研究，急需这方面的人才。经过之后几次深入交流之后，黎一锴坚定了加入刘福水教授团队的信念。
学成归来的黎一锴顺理成章地成为北理工的一员，开启了内燃机研究的新征途。而北理工优越的实验条件更为他日后的研究提供了强而有力的支持。“我们在西山有个专门的实验室，有一层楼全是光学设备。这些光学设备在国际上都是领先的，利用这些先进的设备我们就可以观察到发动机里面的喷雾、燃烧过程，相当于把缸内的燃烧过程可视化了，非常有利于去研究燃烧的机理。”谈到试验设备，黎一锴的言语中充满了喜悦与自豪。
正是得益于当前国家对科研领域的重视，得益于学校对基础研究的支持与投资，黎一锴才有机会借助这些价格昂贵、特别制造的耐高温、高压的玻璃设备做科研。心无旁骛地搞科研，争取更多创新成果，这是新时代青年科研工作者的幸运，也是他们光荣而艰巨的使命。
万事开头难。如何将基础研究和当时课题组所做的偏应用的工程问题结合起来呢？这是初到北理工的黎一锴遇到的第一个难题。正当他束手无策时，刘福水教授的一席话令他茅塞顿开，“一个工程问题只有将它抽象成为一个数学表达式，才能从根本上解决它”。而一次某型号内燃机进排气系统结构的改进设计更让黎一锴验证了基础问题研究的重要性。
当时他们正针对即将投产的某型号内燃机进气不足的问题进行科研攻关。依照传统工程研究的方法，需要按照经验参数去设计进排气道的结构，不会考虑这些经验参数设置的适切性和合理性。而这次，黎一锴利用流体力学相关理论进行了缜密的推导验算，并得出最优解。之后，在刘福水教授的建议下，他们按照穷举法做出多个样本，经过一番对比测量之后，理论推算的最优解也得到了实验的印证。“当时觉得很有成就感，如果在做工程设计的时候，能够让每一步都找到理论支撑，那就是非常扎实的设计了，而且可以少走很多弯路。”这次经历使黎一锴信心倍增，工程中还有很多基础问题的研究没有解决，他在博士阶段的所学有了用武之地。
雾化研究 小中见大
说到内燃机，人们不会感到陌生。其因热效率高、功率范围广，已被广泛应用于农业、工业、交通和国防建设等各个领域。然而，随着内燃机行业的飞速发展，一些问题也逐渐浮出水面，尤其是日益严重的能源短缺与环境污染问题。为了确保能源供应安全，我国制定了严格的乘用车油耗标准：到2020年，当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至5.0L/100km，节能型乘用车燃料消耗量降至4.5L/100km以下。同时，内燃机的燃烧排放物也是城市大气环境的重要污染源，譬如颗粒物（PM）的排放就是造成城市雾霾的重要原因之一，近几年已成为公众关注的热点问题。
长期以来，燃油雾化一直是内燃机燃烧技术研究的难点。燃料雾化即指将液体燃料分散成细小颗粒的过程。通过雾化可增大燃料的表面积，增加燃料与氧气接触的机会。显而易见，燃料雾化的好坏直接影响混合气的形成质量，进而影响发动机的经济性、动力性和排放水平。为了弄清燃油雾化的过程，深入掌握雾化机理，2016年黎一锴主持的国家自然科学青年基金项目“动态惯性力作用下表面张力波诱导液滴雾化机理的研究”正式拉开帷幕。
“在直喷式内燃机中，燃油雾化大体上可以分为两个过程。液态燃油被喷入燃烧室之后，在空化和表面张力波等因素的作用下，连续液柱会发生所谓的‘初次雾化’，即分裂破碎成团块、条带、液丝和液滴等大小形状各异的离散结构。在这些初次雾化的产物中，较大的团块或液滴在其运动过程中由于受到气动力、惯性力、黏性力和表面张力等各种力的相互作用，会继续分裂破碎成更小的液滴，这个过程被称为‘二次雾化’。换句话说就是，大尺度的连续液柱会最终破碎成小尺度的、容易蒸发和燃烧的液滴。”采访中，黎一锴生动地解释道。
据介绍，二次雾化过程决定着喷雾的最终特性，如平均液滴尺寸、贯穿度和燃油浓度分布等，而这些特性直接影响着液滴的蒸发、油-气混合和燃烧等过程，进而影响燃烧效率与颗粒物排放的生成。因此，阐明缸内燃油液滴的二次雾化机理是弄清燃油雾化过程的基础，也是控制直喷式内燃机缸内燃油扩散燃烧的关键。在该项目中，他计划利用现代光学的测试手段，结合高精度气液两相流的模拟技术，对液滴雾化的机理进行研究，从而进一步完善液滴二次雾化理论，并为建立高精度液滴二次雾化的模型奠定理论基础。
在即将完成关于二次雾化研究的青年基金之际，黎一锴针对初次雾化的研究项目也于2019年获得了国家自然科学基金面上项目的资助，即“基于界面不稳定性分析的喷嘴近场射流初次雾化机理研究”。
“这个面上项目与之前的青年项目是一脉相承的，是青年项目的补充与拓展。目前，射流初次雾化的机理仍然不明确，现有的初次雾化模型仍然停留在需要经验参数标定和调试的层面，因此，难以利用现有模型进行射流喷雾特性的预测模拟。我们拟利用超高速显微摄影等现代光学测试技术来获取喷嘴近场射流表面变形的微观结构及演化过程，研究结构、控制以及物性等参数对射流初次雾化特性的影响规律。”采访中黎一锴满怀信心地介绍道。
接下来的几年中，黎一锴将和团队其他成员一同并肩作战，借助北理工先进的平台继续创新。预计该项目的研究成果将进一步补充和完善喷嘴射流的初次雾化理论，不仅为实现喷嘴射流雾化的预测式模拟奠定理论基础，也为提高直喷式内燃机的燃烧和排放性能提供理论指导。而这对实现现代内燃机能量的高效利用和清洁燃烧具有重要意义。
亦师亦友 培育科研人才
高校教师不仅肩负着科研攻关的使命，同时也担负着教书育人的重任。青年人才的培育是科技发展的动力，更是国家强盛的保证。在初为人师的黎一锴眼中，那些年轻而有活力的学生们同时也是自己的哥们儿和朋友。相仿的年纪赋予他们更多的共同语言，彼此也多一分理解与体谅。
“博士毕业刚入职的时候，感觉自己还是个学生，跟学生们的相处完全是同学之间的那种感觉。即使在现在，我看待我的学生们更像是朋友和合作者，相互之间都是平等地进行学术讨论和交流。我特别尊重他们的学术兴趣，希望他们能够按照自己的兴趣和好奇心选择想要研究的内容。因为几年前我也曾经和他们一样，我也是这样一步一步走向科研之路的。”和学生们打成一片的黎一锴总能结合自己以往的经验，从方方面面去开导学生、帮助学生，更像是一位可靠的兄长。直到现在，那些已经毕业的学生们有了问题也还会和他交流探讨。
而在学术研究上，黎一锴也十分注重学生科研能力的培养。在他看来，与解决问题相比，发现问题的能力更为重要，“实际上不光是做科研，将来进入企业后，要想独当一面的话，必须要具备发现问题的能力，而发现问题就是将实际工程问题抽象成为一个可以研究的理论问题的过程”。为了培养学生们这方面的能力，上课时黎一锴在讲完知识点的基础上，还会尽量把相关理论产生的背景交代清楚，让学生体会新理论的发现过程，做到知其然并知其所以然。“只有搞清楚理论产生的背景，才能清楚地知道它的应用范围，在遇到类似的问题时才会灵活运用相关理论去解决，而且通过这种发现教学能显著提高学生发现问题、解决问题的能力。”黎一锴强调说。
如今，在北理工对年轻老师大力扶持的政策下，黎一锴的研究与教学工作都在顺利进行中。对于未来，他充满信心，夯实基础，从最根本的理论出发，在与其他科研院所的通力合作下，他将在喷雾机理的探索之路上继续前行。科
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