首页 >> 烛光闪耀 >> [学者笔谈]饶宇:走适合自己的科研•教学•人才培养之路[图]

■ 建立可持续发展的科研方向,对于每一位进入上海交通大学的青年教师而言都是一项紧迫、重要的事情。

  

 

■ 我热爱教学。在我看来,没有什么比开展大学课堂教学更能体现一个大学教师的身份了。

  

 

■ 在培养学生的过程中,我也感觉到很多学生急于求成,但学术研究和创新需要循序渐进、脚踏实地地一步一个脚印去积累和实践。我鼓励学生完成系统的实验或计算后,写成科研论文。

 

  

 

建立可持续发展的科研方向

  

 

建立可持续发展的科研方向,对于每一位进入上海交通大学的青年教师而言都是一项紧迫、重要的事情。我是2007年进入上海交通大学机械与动力工程学院,我的博士期间的研究课题是含相变的流动与传热问题,面向的技术领域主要是高性能换热器、高功率电子设备冷却等领域。再继续沿着以前的研究方向,心里总是感觉应用方向较狭窄,而且工业应用也处在从属地位。是继续沿着以前的方向做下去,还是另辟蹊径呢?凭着自己长期对动力机械及能源转换领域的关注与兴趣,我决定将自己的研究方向聚焦到燃气轮机/航空发动机高温部件的传热与冷却技术领域。该领域体现了流动与传热技术的最高水平。要做就做最难的,最高精尖的技术。艰难的科研方向往往孕育着丰富的科学问题。另一方面,我国燃气轮机/航空发动机长期落后,燃气轮机/航空发动机被喻为制造业皇冠上的明珠,其中必定包含着很多的工程热物理科学问题等待解决。当时上海交通大学还没有开展这方面的研究,对我而言这既是机遇,也意味着挑战,意味着自己要独自开辟这样一个研究方向。自己怀着这样的信念和坚持,以及研究所领导的支持和信任,我开始了在上海交大叶轮机械研究所开展燃气轮机/航空发动机传热与冷却技术的研究。

  

 

燃气轮机是民用发电装备、飞机及舰船动力的核心部件,它的性能对于提高能源转换效率、飞机及舰船航行安全及经济性起着至关重要作用,燃气轮机的研制具有极高的经济价值、军事价值和政治价值。目前燃气轮机高温涡轮叶片材料为镍基和钴基铸造超级合金,可承受的长期工作温度一般为9001000℃,当代最先进的航空发动机透平叶片单晶材料可承受的长期工作温度可达到1100℃。即使如此,燃气温度还是要比合金可承受的长期工作温度高出300500℃甚至更多,因此必须采用冷却技术,确保在任何工况下透平叶片的任何部位金属温度不超过其可承受的长期工作温度。 

 

另一方面,提高燃气轮机透平前燃气温度,进而提高燃气轮机能量转换的总效率和输出功是现代燃气轮机机发展的一个主要手段。因此伴随着透平入口燃气温度的再提高(>1500 ℃),迫切需要更加高效、更加先进的冷却技术以保证燃气轮机透平叶片等高温部件内的温度水平在合理的范围内,及具有足够的生命周期。增强的冷却技术也减少了冷却空气的用量,能够有效地提高燃气轮机整体工作效率以及做功能力。

  

 

正因为先进的冷却技术对于现代燃气轮机/航空发动机的极端重要性,在美国的“综合高性能燃气涡轮发动机技术研究计划”(IHPTETVAATE)、“先进燃气轮机研究计划”(ATS)以及俄罗斯、日本相关研究计划中都把先进高效冷却技术列为关键技术之一。

  

 

透平叶片内部冷却结构十分复杂,常用的有折弯的带肋通道,采用无余量精密铸造直接成型。透平叶片外部采用气膜冷却,叶片表面分布数量不等的气膜冷却孔,其功能是在叶片表面形成冷空气保护膜,每个孔的直径大约为0.71.5毫米左右,而且与叶片表面有不同的夹角,必须采用电解加工(EDM)或激光加工。为实现高温透平叶片更好的热防护,叶片表面还喷涂有热障涂层,主要是氧化锆(YSZ)等陶瓷材料,采用真空等离子喷涂(LPS)、电子束气相沉积(EB-PVD)等特种工艺喷涂在叶片表面。

  

 

在国外,高温透平叶片传热与冷却技术的研究非常活跃,并持续了四十多年的发展,研究内容正朝精确化和纵深发展。研究报道多来自国外著名大学和研究机构,如英国牛津大学、瑞士联邦工学院、德国亚琛工业大学、美国GE公司、明尼苏达大学和Purdue大学等。研究新成果的不断应用,极大地促进了燃气轮机/航空发动机综合性能的提升,极大地促进了包括Rolls-RoyceGEPratt & WhitneySIEMENS等公司不断推出性能更先进、代表世界工业水平新高度的燃气轮机,极大促进了西方国家航空、舰船动力以及电力装置的发展。

  

 

正是自己对国家燃气轮机/航空发动机的发展有着清晰的认识,因此我决定在该领域开辟自己长期的研究方向。这个领域具有直接和巨大的工业应用背景,又是国防关键核心装备,必定能得到工业界和国家科研计划的大力支持。我发现自己进入了一个广阔的学术发展空间,燃气轮机中复杂的气动、传热与冷却问题,极大地拓展了自己的学术发展潜力。发展先进的实验测试技术、先进的流动传热数值计算能力以及发展先进的燃气轮机冷却技术成为自己的科研重心。对于刚进校的青年教师都会碰到这样共性的问题,科研经费不足怎么办?那就从小项目做起,从不太需要经费的项目入手,小项目中也包含着重要的科学问题。专注研究3-5年,肯定能出成果。在交大工作的6年时间里,通过勤奋地、循序渐进地积累,我连续获得了三项国家自然科学基金的支持,以及多项上海市及上海交大的科研资助。我在叶轮机械研究所建立了完善的燃气轮机先进传热与冷却技术实验室,连续在本专业著名的国际期刊发表论文,申请多项国家发明专利,也连续地在专业国际会议上发出自己的声音。逐渐地,我建立起自己的科研高地。

  

 

相比起六年前我刚进交大,对自己科研方向的把握还诚惶诚恐,现在的我在科研方向上更加坚定了自己的道路,也坚信自己的科研前景将更加光明。我坚信自己能为国家的燃气轮机/航空发动机发展贡献自己的力量。

  

 

教学

 

 

我热爱教学。在我看来,没有什么比开展大学课堂教学更能体现一个大学教师的身份了。必须得承认,刚开始承担课程教学对于青年教师是个很大的挑战,挑战来自多方面,有心理上的、时间上的、还有学术基础上的。备课要花大量的时间,科研也要大量的时间(申请经费、开展科研工作、写论文...)。记得刚上讲台,看着那么多学生眼睛看着自己,心里难免紧张。但随着课程内容的展开,以及对课程教学的逐渐熟悉,讲课也开始得心应手。我教的课程都是专业基础课,如本科“热能与动力工程基础”、本科全英文“工程流体力学”、研究生全英文“计算流体力学”。通过这几年的课堂教学实践,我深切体会到,课程教学不仅是面向学生的知识教授,同时还是对自己的学术理论基础的再一次夯实。扎实的学术理论基础,进一步提升了自己的科研能力。我也深刻地理解到,教学与科研的统一,教学促进了自身的科学研究。

 

 

“工程流体力学”和“计算流体力学”这两门课程是全英文授课,均采用英文原版教材。我的教学实践表明,国外教材讲解细致,层层推理由浅入深,并且例题和大量课后习题紧密联系当前工业实际应用(如汽轮机和航空发动机)或与生活中的现象密切相关,并且配套有丰富的教辅多媒体资源。这些因素,使学生感受到学习这样的课程能学以致用,激发学生学习的兴趣,而且也使得基础课的学习不枯燥。相较而言,国内的教材内容还是单一,课后习题及例题讲解偏重于书本知识或原理的推导,与工业和生活中的应用脱钩,当然也使得学习枯燥乏味,这也是现阶段很多学生学习基础课程效果不佳的一个重要原因。

 

 

通过英语教学也极大地提升了自己的英语表达能力,这与平时的全英文教学中多讲、多读与多写英文是分不开的。刚开始英文教学时,心里是紧张、惴惴不安的,但坚持下去,细心地不断地提高自己这方面的能力,终使自己成为一名优秀的英文专业课程教学教师。交大虽然也开设有全英文课程教学培训,记得我也报名参加,但发现一周至少要有3-4个下午投入该培训,后来也就没坚持下去。并不是觉得没效果,而是对于交大机械动力学院的大多数教师来说,每周投入这么多的英语教学培训时间不太不现实,毕竟还有繁重地科研工作。在全英文课程教学上,我走的是条自我提高、最求卓越、适合自己的发展道路。我仍然记得,2012年下半年的全英文“流体力学基础”课上,教务处的督导童均耕教授随堂听课下来,他即兴走到我跟前说声,“你的英文课讲得真好”。听到这样的评价,自己的努力得到了教学名师的肯定,我心里真是感慨万千。

 

 

培养创新型人才

 

 

我热爱创新性本科实践教学,已指导了12人本科毕设(6人获优秀),指导了5PRP3项上海交大学生创新项目以及2项上海市大学生科技创新项目,完成建设上海交通大学特色实验项目2项。近30名本科生在我实验室接受过科研训练。我2012指导的学生获得“上海交通大学优异本科学位论文(top 1%)”的奖励。这些学生中,一人在德国留学,6人在美国留学。

 

 

在上海交大工作六年来,我在实践创新型人才培养方面也逐渐积累了一些经验。概括地说就是,放手给学生干事的空间。交大的学生都是聪明的学生,但并不都是能专注地、能坚持地对科研感兴趣,勤奋地科研。作为指导教师的义务,给愿意干事的学生提供实验室条件,提供经费支持他们的科研工作。但仅提供以上硬性条件是远不够的,还要持续性地给学生可操作性的具体指导建议,并在实验设计、加工以及计算技能上提供帮助。在我的课题组里,有新的学生加入课题组,我都会指定1-2名研究生作为他们的副导师,以便能给新来学生提供及时的帮助和指导。

 

 

在培养学生的过程中,我也感觉到很多学生急于求成,但学术研究和创新需要循序渐进、脚踏实地地一步一个脚印去积累和实践。我鼓励学生完成系统的实验或计算后,写成科研论文。因为科研论文是对自己工作最系统地总结和提炼。学生写完文章后,我都会逐字逐句地进行修改,和学生一起对文章结构重新安排,补充实验或计算数据,分析和讨论研究结果,往往这样下来需要数个月的时间,直到文章定稿。这样的文章投出去,基本都能被学术期刊录用。再急的学生,经过这样的程序训练下来,心也会变得踏实很多,都会切身感到要作出科研成绩不容易,当然最重要的是指导教师身体力行。通过这样的科研训练过程,学生是最大的受益者,他们都会由衷地表露出对老师的感谢。我想这个时候,培养人才的目的便达到了。

 

 

在我的课题组中,我坚持对学生一对一的指导,保持和课题组每个研究生和本科生定期地单独碰面讨论。对于学生来讲,这样的指导效率很高,具有很强针对性,老师对学生的进展也更清楚。课题组里的每个研究生,现在基本都能独挡一面,每个人都有自己的一片学术小领地可耕耘和发展。我想这样的研究团队才是可持续发展的。

 

 

学者小传

 

 

饶宇,上海交通大学机械与动力工程学院副教授,叶轮机械研究所副所长。2006年毕业于北京航空航天大学(与德国Darmstadt工业大学联合培养),获博士学位。2003-2005年获德国学术交流中心(DAAD)奖学金,在德国Darmstadt工业大学从事访问研究。2006-2007年获博士后奖学金在Darmstadt工业大学从事访问研究。20074月起,在上海交通大学机械与动力工程学院任教。研究方向:燃气轮机/航空发动机传热与冷却技术。

 

已获国家自然科学基金项目2项、负责国家自然科学基金仪器基础研究子项目一项,以及上海市白玉兰基金、上海交通大学“SMC-晨星青年学者”支持计划等项目支持,获得上海交大“烛光”教师奖一等奖、“优异学士论文指导教师”称号等。参与了多项国防基础科研基金等纵向和横向课题研究。以第一作者在International Journal of Heat and Mass Transfer, ASME Journal of Heat Transfer, International Journal of Thermal Sciences, Experimental Thermal and Fluid Science,Measurement Science and Technology等本领域国际国内知名学术期刊发表论文30余篇。申请国家发明专利2项。是美国机械工程师协会(ASME)会员以及ASME Journal of Heat TransferInternational Journal of Heat and Mass Transfer等著名国际学术期刊审稿人,以及国家自然科学基金评审专家(2010至今)。研究成果被国内外同行引用60次以上。

[作者]: 饶宇