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導讀：
技術科學從實踐中來，也需要實踐檢驗。鋼鐵工程涉及各種物理和化學變化，對計算的挑戰性也很大，是一個很好的應用場景。
鍾星立 | 撰文
我是一個標準的80後，來自廣西荔浦。2001年參加高考，趕上了好運氣，能夠入學北大力學系。2008年北京奧運開幕前，我碩士畢業離開學校，到一家服務鋼鐵工程建設的工程技術公司工作。
錢學森先生提倡“技術科學（Engineering Science）”，這個學術思想推動了眾多工程領域的創新和技術進步，從力學工作者的角度，本質是從工程背景（現場資料、工程試驗、實驗現象等）提煉數學力學模型（解析、半解析、數值、能量、量綱等），從而上升到理論高度，反過來指導工程實踐。由此可見，技術科學對國民經濟的發展至關重要！
（一）技術科學的發展，核心在人才，根本是系統紮實的學科基礎能力。
2004年大三下學期，班上同學們“各謀出路”，工作、讀研、出國，忙得不亦樂乎。北大力學系對數學的要求比較高，基礎打得牢，無論選擇哪條路，都能“厚積薄發，遊刃有餘”。我個人從小就比較喜歡數學，也愛鑽牛角尖，再加上喜歡學校的氛圍，選擇了保研本系繼續做科研。
力學系學生黨支部的王嘉師兄瞭解我的想法後，向我推薦了陳耀松老師。我至今還記得王嘉師兄向我簡單介紹陳老師課題組的研究內容：“陳老師這邊是用力學軟體和數學演算法，也包括計算機程式設計，解決實際的問題。我現在正在陳老師那裡做畢業設計，組內的氛圍很好，我推薦你考慮一下”。
我聽了感到很新奇，能夠看到自己的所學在實際應用中的價值，豈不是很開心的事！確定想法後，我心懷忐忑地透過郵件和陳老師約好時間，在學校東門外的技術物理樓見到了滿頭白髮、和藹可親的陳老師。出乎我的意料，陳老師沒有一點大教授的架子，對我的想法很支援，同時給我出了一道題——用Fluent軟體計算經典的圓柱繞流問題。
力學系本科生的培養，理論部分佔比很大。因為工程上的很多問題都沒法拿到理論精確解，3年的本科基礎打牢後，掌握數值模擬方法解決實際工程問題就尤為重要了。當然，我那時還一點談不上“解決實際問題”。但北大力學系對本科生的培養，使我具備了良好的學習能力。再加上有組內師兄師姐的幫助，我很快就上手，從0開始，在一週內完成了“小白”的第一個CFD分析案例“卡門渦街”。
（二）用數學方法將工程問題凝練科研課題，解決問題後再複製推廣
陳老師經常跟我們強調：“應用力學的目標是要解決問題，可以用‘數學幫助’，但必須解決問題。應用力學必然是先有了要解決的問題，再去找合適的數學工具。問題是具體的，找解決這問題的數學方法成了目標。而工程中的問題可以是‘力’的，也可以是‘電’的，或者其他的。一個應用力學的‘高人’高就高在他比別人能更快找到合適的數學方法。”
我進入課題組之後的第一個研究是計算近海工程基礎附近的海流運動。當時陳老師剛從上海參加水動力學討論會回來。會上有《跨海橋樑工程建設的若干水動力學問題》的報告，內容是用CFD計算海水對橋墩的衝擊力以及橋墩根部水動力情況。後者對橋墩附近河床沖刷很大，直接影響橋樑使用壽命。為計算水流的衝擊力，作者用了淺水波理論，河流入海時會遇到的海浪以至潮汐都可以計算。但來到橋墩附近，淺水波理論“以平均流速”就無法計算複雜的三維渦動。為此，作者直接用三維RANS方程計算，只是對上水錶面作了為“水平”的假定。有這一假定，計算方便了，但橋墩附近水面激烈變化沒法考慮了，波浪、潮汐這些海口常有的問題也沒法考慮了。
陳老師讓我試試“水汽比擬”，還親自幫我推導了原理方程。這是一個很奇妙的創新。在淺水長波條件下，水面的波高等同於可壓縮氣體流動的密度！這樣，計算就可以分成前後兩個層次：先用淺水長波方程算出二維流動，然後以算得的壓力和水平流速為上邊界條件，用完整的N-S方程對流動進行三維計算。這樣的解耦方法，實現波動與基礎繞流計算的統一，降低了計算量，提高了計算速度，同時保留了水面高度變化對構築物下部沖刷的影響。
雖然自己的工作已不在水動領域，但我一直對“水汽比擬”念念不忘。現在大家都在提“原創”技術，這就屬於從原理上進行創新，並能夠有效解決實際問題。要想達到這種效果，既需要又深厚而淵博的理論功底，又能夠對實際問題進行合理的簡化，提出合理的模型。
我把相關成果寫成文章，在《水動力學研究與進展》發表後，引起了中科院力學所的關注，陳老師安排我把方法和程式碼進行了共享，雙方在此基礎上合作，相關成果有效支撐了該所一個重點專案的研究和應用。用陳老師的話說“力學工作者的作用，是要爭取‘第一個’解決問題，形成技術後交給工程師，後面就是他們的事情了”。我想這就是“技術科學”思想的體現。
（三）產業實踐問題很複雜，要從根源上去思考和解決問題
空氣動力學中，數值模擬與標模翼型的實驗結果比對是一項非常重要的工作。2006年，AIAA阻力預測會議公佈了一款DPW-W2模型的N-S黏性流計算考題，藉此考察各類數值模型的精度和可靠性，引起業內的關注。由於該翼型的結構特點，傳統計算方法得到的結果，始終在機翼尾部阻力系數增大。陳老師得知相關情況後，讓我“試試看”。
與前幾次安排任務不同的是，這次陳老師沒有對具體的過程過問太多，只是隔三差五到我的座位旁詢問進展，“不行再試試”。說實話，有一個多月，研究毫無進展，無論用了什麼手段，嘗試各種模型和係數，機翼中部的阻力始終“高高翹起”，我一度產生了放棄的念頭。好在有了前幾年的鍛鍊，信心逐步建立。我不斷總結經驗和規律，逐個排除影響因素。
在經歷了多次失敗後，我就按照陳老師說的“試試看”，打算對模型的網格數進行指數級增長。當時計算機的處理能力有限，增加網格數後，光輸出網格檔案就得等3個多小時。我記得那段時間每天都是早上不到8點就到實驗室，晚上11點回宿舍前，把計算任務提交計算機，第二天早上看結果。
終於有一天早上，我帶著早餐（博實門口的小籠包）到實驗室，急迫的心情使我來不及吃早餐。結果出來了，中部的阻力系數“癟”下去了，和實驗結果幾乎完美重合！我開心極了。
光獲得結果還不夠，還要知道“為什麼”。我反覆琢磨，原來要想計算正確，所有的壁面網格Y-Plus要小於1。正好這時陳老師走到身邊，看了我的結論後，淡淡地說了一句：“你達到要求了。”
從盲目嘗試到“Y-Plus<1”的規律，看上去是科研道路很常見的情形。但正是在陳老師特有的教學理念和科研方法培養下，我才逐漸具備了進入工程技術領域解決實際問題的能力，即“一定要從根源上思考和解決問題”。
鋼鐵冶金包括採礦、選礦、燒結、高爐鍊鐵、轉爐鍊鋼、精煉、板帶軋製、型鋼軋製等數十道工藝，涉及結構強度、剛度、穩定性、導熱、電磁、燃燒、流動、生產計劃、物流排程、路徑佈局等數學物理問題。
相對於傳統的經驗設計方法，CAE模擬分析技術能在工程和產品的設計階段，透過計算機的模擬分析，及早發現設計計算中的缺陷，並證實未來工程、產品功能和效能的可用性和可靠性。
2008年7月，我碩士畢業，進入一家鋼鐵冶金領域的工程技術服務集團擔任CAE工程師。早在1992年，國內絕大多數高校仍然沒有普及CAE模擬分析技術的時候，這家公司就研發了一套有限元軟體，用於計算熱風爐的燃燒及格子磚的溫度變化曲線，該軟體也成為設計人員的必備工具。在我入職後，公司率先在國內鋼鐵工程公司中成立了CAE技術中心，購買了大型CAE軟體，搭建了遠端訪問、計算伺服器系統，組建了專職團隊，為公司研發、設計服務。現在回想起來，當時國內只有汽車、航空航天、船舶等行業大企業有專業化的CAE團隊，這對鋼鐵冶金工程技術領域還是一個新事物。
（一）一個系統模擬案例
我入職後不久，就接觸到一個非常有代表性的系統模擬專案，該專案涉及的基礎學科是“離散數學+運籌學”，我在北大學習時沒有接觸過，說實話，心裡還是很忐忑。
鍊鋼廠規劃佈置設計是影響鍊鋼生產過程中物流控制難易的先天條件，需要綜合考慮工廠規模、生產工藝流程、物料流向功能分割槽、廠內外運輸、地形地質條件、各種間距、風向建築朝向、預留髮展等因素。傳統方法通常是根據企業規模、工藝流程、場地條件，按照經驗設計原則和簡單的excel計算表，對各種設施實施建築形式及位置選擇，運輸系統確定，廠區區劃創造企業發展條件，以獲得合理的總體佈置方案，方案的優劣在很大程度上取決於設計人員的經驗（60%經驗作類比設計+30%拍腦袋+10%計算）。
當時，國內眾多企業正在進行鋼鐵產品的結構調整以及產能擴張，隨著新裝備的建成投產，會對原生產流程、組織方式產生何種影響，面臨新情況應該採用怎樣對策等問題都是建設新專案應該考慮的，如何保證新建專案與原生產流程合理銜接，是能否順利實現建設目標的重要問題。
傳統的設計方法難以考慮生產過程中的動態複雜變化，經驗化的引數與生產實際可能存在較大偏差，而計算機模擬技術的出現使得這一問題的解決成為可能。模擬技術透過對實際生產環境建模來模擬其生產過程，識別出系統瓶頸，對各種過程最佳化方案進行試驗，瞭解系統的未來效能測度和長期動態特徵，以改進設計或計劃。
我組織團隊，用了大概大半年的時間，開發了鍊鋼物流系統模擬平臺，成功實現了對鍊鋼生產過程的有效的流程模擬，該平臺作為實際系統的預測器，為方案決策和最佳化提供準確而詳細的資料，將傳統的經驗型設計方法轉化成了經驗+模擬量化的精細化設計方法，使公司的設計方法向科學有效的方向邁向了一個新的臺階。
某鋼廠物流模擬動畫顯示過程
上面這張圖是我們開發的鍊鋼物流系統模擬平臺。它採用面向物件，圖形化的建模方式，可快速對鍊鋼生產系統中的生產裝置、生產線、生產過程等進行建模、模擬和最佳化，最佳化空間規劃、物資利用率、排產計劃和產能。
首先，在建模過程中，使用者根據設計方案需要在模組庫中選取合適的模組，採用拖放方式按車間佈局放置於相應位置，並根據工藝引數設定相應的模擬引數，完成對各模組的屬性定義，即可搭建相應的模擬模型。
第二，這個平臺提供了強大的動畫顯示功能和分析工具，在佈置圖上用不同顏色的圖示顯示了物流的週轉和變化過程。模擬過程根據各模組的控制邏輯按照事件激發方式得以推進，過程資料被即時記錄以供結果分析。設計者可透過動畫清晰地看到各罐鐵水/鋼水被哪臺天車吊送至哪一個裝置進行下一步處理，整個生產過程在計算機上得以再現。同時，我們提供了多種綜合分析工具，諸如裝置利用率分析、瓶頸分析、Gantt 圖分析、天車作業排程分析等，並且以柱狀圖、餅狀圖、單線圖等方式直觀的展現。設計者可以採用不同的分析工具對系統的效能進行評價，如透過天車作業排程圖可以清楚得到各天車的作業範圍，透過生產 Gantt 圖可分析日產量問題等。
生產計劃Gantt 圖
第三，因為鍊鋼生產過程是一個複雜的離散與連續作業方式相結合的生產過程，連鑄機在一段時間內的連續生產要求，對生產系統中的物質流、能量流在時間、溫度上的管控提出了更高的要求，而作為物質流主要運輸方式的吊車作業更需要在執行空間上進行相互協調。因此，在鍊鋼物流系統模擬平臺中融合各種最佳化工具，以協調和控制鍊鋼生產過程中物質狀態轉變、物質性質控制、物質流管制在時間、溫度和空間上的諸多要求。我們在研究的過程中（例如在作業計劃最佳化制定），在採用“模擬+遺傳演算法”進行耦合計算最佳化。
我們開發的鍊鋼物流系統模擬平臺從研發開始便與工程設計相結合，在實踐中逐步完善和擴充模擬模組，廣泛應用於幾十個國內外鍊鋼工程專案的規劃和設計。不僅可分析設計方案的合理性，還可以提供滿足設計要求的排程策略，如一罐制中高爐下的配罐制度、各跨天車合理的作業範圍等。設計人員在形成設計方案後，便進行模擬建模分析，透過多個模擬案例，從不同角度瞭解系統的未來效能和動態特徵。根據模擬資料分析是否達到預定產量，車間佈置是否合理，各跨天車利用率是否充足，各種罐暫時堆存緩衝區的最佳位置等，當發現設計系統存在不合理性時，設計人員可透過模擬動畫和各種分析工具很容易找到產生問題的原因，從而有的放矢的修改設計方案再進行模擬分析。透過這種設計、模擬、修改設計、模擬……螺旋式上升的精細化設計方法，最終形成最佳化的設計方案提供給使用者。
綜上，大家可以體會出來，這是一個“基於數學模型的系統建模和最佳化”。使計算機技術和工廠設計有機結合，可以為精細化設計注入新的活力，為客戶提供全生命週期的服務。
（二）其它工程技術研發經歷
從2008年到2011年，在我的組織下，我們一共完成了公司68項科技開發專案，還有95項設計部門委託的CAE模擬分析任務。從機理研究到引數最佳化、設計方案定型，甚至現場問題診斷、故障分析，都能發現CAE模擬分析技術的身影，它已經完全融入在公司的工藝、裝置研發和工程設計流程中。
1、工程設計最佳化
工程設計離不開引數的選擇和確定，傳統設計往往有很大的最佳化空間，CAE模擬分析正是進行引數最佳化的重要手段。我組織團隊開發了散狀料行業三維物流模擬技術平臺，可廣泛應用於電力、建材、化工、碼頭、冶金、有色等行業的物流供應系統。
我們以國內某鋼廠千萬噸級大型原料場設計為藍本，採用模組化設計，建立輸入系統、料場、輸出系統、混勻系統等全三維模擬模型，對39個單項工藝系統以及3個獨立工藝系統流程，按實際生產操作規則進行了模擬執行模擬研究，全面真實地反映大型綜合原料場的生產執行狀況，並有效地最佳化設計和生產排程方案。
這是當時行業內實施的最大物流模擬分析專案，也是業內首次對千萬噸級大型原料場系統進行全三維物流模擬分析。與傳統設計方法相比，物流模擬不僅全面、真實地反映了原料場的生產執行狀況，對生產執行提出了指導意見，還縮短膠帶機2.5km，節約佔地面積3萬多平方米，有效降低直接經濟成本約合4000多萬元。
2010年初，鍊鐵事業部一位設計人員在參與攀西工程時，發現設計方案中的出鐵場模具有些偏重，應該有最佳化的可能。為此，她主動向我們提交了優化出鐵場模具結構的模擬分析委託。透過多方案的比較，我們使主溝模具的模芯鋼板厚度由原來的12mm減薄至9mm，渣溝模具的模芯鋼板由原來的8mm減薄至6mm。這樣，模具的重量可節省約12％。從那以後，這項最佳化成果已經形成鍊鐵專業的一項設計經驗，在多個工程上應用。
2、工程投標開拓
在激烈的競爭面前，企業以什麼取勝？除了採用新的生產工藝，提出更具有競爭力的技術方案和保證值外，CAE模擬分析以直觀、生動、形象很好地展示了設計方案的內在邏輯和執行機理，由此打動業主，助力專案投標。
在某鋼廠4700mm寬厚板軋機工廠設計專案投標中，由於投標方案的特殊性，該專案物流模擬工作的難度和工作量非常大。我組織了一個跨專業的工作團隊，工藝、裝置技術人員負責設計說明書、算軋製表，三維技術人員負責三維模型，CAE技術人員負責模擬建模，大家並肩協作，連續大半個月“白加黑”“五加二”地拼搏，分析設計問題、除錯模擬模型。
最終，在投標會前兩天，我們制定出了四個典型的生產計劃，並在物流模擬模型上全部通過了長時間迴圈執行測試。在投標交流中，針對業主十分擔心的1#、3#冷床的節奏匹配、多塊板坯交叉軋製和厚板薄板交叉編制的節奏問題，我們透過引數化即時模擬分析和現場演示，給業主吃了一顆“定心丸”，公司也成功中標，再次證明了CAE技術對於提升企業競爭力的重要作用。
3、現場問題診斷
結合調研資料，CAE模擬分析技術可以還原現場生產的各種環境和條件，更加準確高效地找到問題根源所在。
2009年9月，某鋼廠高爐採用的PW型旋流除塵器旋流板出現斷裂，業主向我們公司提出了改造裝置的請求。如何才能保證改造後不再斷裂呢？鍊鐵事業部認為增加環形通道尺寸、降低氣體流速是一個有效的辦法。我們迅速配合開展工作，在最短的時間內拿出了最佳化結果。光有模擬還不行，透過現場實測，我們證實了CAE模擬分析的誤差在7%以內。
鋼鐵生產是非常複雜的流程，涉及各種物理和化學變化，對計算的挑戰性也很大。在多年的研發工作中，我接觸到了從原料處理，到冶煉，再到軋製，以及後處理、公輔的全過程，包括基於有限元和有限體積法的工藝過程、裝備模擬，還拓展了基於離散數學和運籌學的系統模擬，相關成果支撐了公司大量的新產品開發和設計最佳化，應用在國內外大量的鋼鐵工程。其中一項科研成果還獲得了2016年冶金行業科技進步一等獎。我主持開發的“適用於冶金氣固逆流反應器的數值模擬模型”，將高爐、豎爐的全爐模擬計算效率顯著提升，成為可以實現短時計算，指導生產的數值模擬模型。
2024年，陳老師給我寫了一段話，我感觸頗深：
實踐除了直接參與以外，還包括對周圍事物變化的關心。要“好奇”，還要“好問”，求索“奇”背後的道理。用我們專業的話說“奇”到量，“問”到通。也就是找出促成“奇”的因子和它們之間的邏輯關係。世上事物千千萬，不可能都如此做。但對引起你注意（興趣）的事物，你就按這一思路求個“可能的結論”作為“心得”以待來日。真遇到要你解決類似的問題時，你就會比別人“先一步”拿出解決辦法。腦袋長在自己頭上，多費點心就可獲得或粗或細的結論。這類“結論”多了，你的應用力學水平自然就高。
在面向工程實踐的過程中，數學是不可或缺的工具，透過數學方法、演算法、模型以及多學科融合（陳老師一直提倡的“A+B”）解決實際問題，是每一個從事技術科學產業實踐的科技人員要掌握的基本技能。
鍾星立
2025年5月
作者簡介：
鍾星立，2001級入學北大力學系，2008年碩士畢業，現為正高階工程師。
陳耀松評論
我們《技術科學論壇》開張已二個多月了。在《賽先生》公眾號發稿比較順利。安亦然準備的第三篇文稿已經發表，按時與大家見面。
在《論壇》裡交談比較自由。除了交換資訊，討論工作以外我們可以切磋科技業務。這不但可以提高大家的專業水平，還有利於今後面對科技需要時組織協作工作隊。
4月初我和同志們商量針對同一課題的兩篇文章來討論。盼能透過討論啟用我們的科技思想。萬事起步難，提出一個多星期不見有反響。那我自己來帶頭，大家來參與！
20多年前，上海利用揚子江口深水區的一個小島建一個大碼頭 – 洋山港。從碼頭到上海要建跨海大橋。江水海浪對橋樑的考驗首先在橋墩 – 橋墩的基礎能否經得住“沖刷”。上海交大承擔這海洋工程的水動力研究。重點當然是在橋墩墩基附近的水動力。
“思想實驗”是愛因斯很喜歡用的研究方法。他將他掌握的理論知識合在一起看能有什麼新的發現，那是他的獨角戲。鍾星立和我愛演“雙簧”，當遇到一個課題選定演算法時總要問為什麼？其中比較典型的就是《近海工程基部的海流計算》一文，它是讀完專業學者圍繞同一物件的多個方面的分別研究後再討論的結果。已考慮“多個方面”，卻沒有顧及彼此的影響！橋墩在海口，橋墩基礎沖刷主要是海浪。作者的計算橋墩歸橋墩，海浪歸海浪各不相干。做起來簡單但與實況出入較大。如今資源豐富可以波浪橋墩一起算，但“淺水波假定”不能用了，計算工作量猛增，遠不止一加一。作者將它分開算的原因也僅是為了“省”。我們師徒討論了幾次 – 能否在不增加計算工作量的條件下計及波浪對墩基的影響？有了，將時間分成小步，每步先算波浪，在已知波浪（邊條件）下計算橋墩繞流。然後再算下一步。計算波浪本來就要一步一步來，所以我們並未增加計算工作量，卻算得波浪對橋墩的影響。
LIU Hua ：《Hydrodynamic Problems Associated with Construction of sea-crossing Bridges》
作者計算江水潮浪對橋墩的衝擊力用了“淺水波理論”。而在計算橋墩後面的渦流時對水錶面作了“剛蓋似定（即採用對稱邊界條件）”。這麼一來就將橋墩後面的複雜表面“抹平”了。在橋墩後最大的“湍動”推動力被抹剎了。
達芬奇橋墩後的水流草稿
討論完後鍾星立按我們的思路完成他的大學論文：《近海工程基部的海流計算》（發表於05年水動增刊）。
上面說了鍾星立“好辯”，但他還好“動”，只要有可能都要動一動。一個星期天他又來上機，我問他算什麼？原來是同學在做的課題他利用計算機空隙照著“敲一遍”。
九年前在上海大學和上海大學應用數學和力學所領導主持下討論發展“技術科學”
以上說的只是這一批研究生在我組內活動的情況。08年我組一批四位碩士畢業離校（無留校名額）。正逢力學所登報徵聘兩位博士以解決國家重大問題。我拿組裡學生的論文給力學所看，次日報上徵聘即改為“碩士”。兩位趕去力學所報道的碩士，未讓領導失望，解決了問題，完成了任務。按鍾星立的表現我推薦他去上海大學。按我組學生學業的信譽上海大學破例安置原為博士保留的崗位。只是鍾星立不幹，堅持要去鋼廠。從後來他做出的成績來看，他“堅持”對了。不但成為堅持學業創新的標兵，獲得全國五一勞動獎章，而且是一個繼承發揚錢老“技術科學”的積極分子。
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