摘要：我是一个标准的80后，来自广西荔浦。2001年参加高考，赶上了好运气，能够入学北大力学系。2008年北京奥运开幕前，我硕士毕业离开学校，到一家服务钢铁工程建设的工程技术公司工作。

技术科学从实践中来，也需要实践检验。钢铁工程涉及各种物理和化学变化，对计算的挑战性也很大，是一个很好的应用场景。

我是一个标准的80后，来自广西荔浦。2001年参加高考，赶上了好运气，能够入学北大力学系。2008年北京奥运开幕前，我硕士毕业离开学校，到一家服务钢铁工程建设的工程技术公司工作。

钱学森先生提倡“技术科学（Engineering Science）”，这个学术思想推动了众多工程领域的创新和技术进步，从力学工作者的角度，本质是从工程背景（现场数据、工程试验、实验现象等）提炼数学力学模型（解析、半解析、数值、能量、量纲等），从而上升到理论高度，反过来指导工程实践。由此可见，技术科学对国民经济的发展至关重要！

SAIXIANSHENG

选择“技术科学”

（一）技术科学的发展，核心在人才，根本是系统扎实的学科基础能力。

2004年大三下学期，班上同学们“各谋出路”，工作、读研、出国，忙得不亦乐乎。北大力学系对数学的要求比较高，基础打得牢，无论选择哪条路，都能“厚积薄发，游刃有余”。我个人从小就比较喜欢数学，也爱钻牛角尖，再加上喜欢学校的氛围，选择了保研本系继续做科研。

力学系学生党支部的王嘉师兄了解我的想法后，向我推荐了陈耀松老师。我至今还记得王嘉师兄向我简单介绍陈老师课题组的研究内容：“陈老师这边是用力学软件和数学算法，也包括计算机编程，解决实际的问题。我现在正在陈老师那里做毕业设计，组内的氛围很好，我推荐你考虑一下”。

我听了感到很新奇，能够看到自己的所学在实际应用中的价值，岂不是很开心的事！确定想法后，我心怀忐忑地通过邮件和陈老师约好时间，在学校东门外的技术物理楼见到了满头白发、和蔼可亲的陈老师。出乎我的意料，陈老师没有一点大教授的架子，对我的想法很支持，同时给我出了一道题——用Fluent软件计算经典的圆柱绕流问题。

力学系本科生的培养，理论部分占比很大。因为工程上的很多问题都没法拿到理论精确解，3年的本科基础打牢后，掌握数值模拟方法解决实际工程问题就尤为重要了。当然，我那时还一点谈不上“解决实际问题”。但北大力学系对本科生的培养，使我具备了良好的学习能力。再加上有组内师兄师姐的帮助，我很快就上手，从0开始，在一周内完成了“小白”的第一个CFD分析案例“卡门涡街”。

（二）用数学方法将工程问题凝练科研课题，解决问题后再复制推广

陈老师经常跟我们强调：“应用力学的目标是要解决问题，可以用‘数学帮助’，但必须解决问题。应用力学必然是先有了要解决的问题，再去找合适的数学工具。问题是具体的，找解决这问题的数学方法成了目标。而工程中的问题可以是‘力’的，也可以是‘电’的，或者其他的。一个应用力学的‘高人’高就高在他比别人能更快找到合适的数学方法。”

我进入课题组之后的第一个研究是计算近海工程基础附近的海流运动。当时陈老师刚从上海参加水动力学讨论会回来。会上有《跨海桥梁工程建设的若干水动力学问题》的报告，内容是用CFD计算海水对桥墩的冲击力以及桥墩根部水动力情况。后者对桥墩附近河床冲刷很大，直接影响桥梁使用寿命。为计算水流的冲击力，作者用了浅水波理论，河流入海时会遇到的海浪以至潮汐都可以计算。但来到桥墩附近，浅水波理论“以平均流速”就无法计算复杂的三维涡动。为此，作者直接用三维RANS方程计算，只是对上水表面作了为“水平”的假定。有这一假定，计算方便了，但桥墩附近水面激烈变化没法考虑了，波浪、潮汐这些海口常有的问题也没法考虑了。

陈老师让我试试“水汽比拟”，还亲自帮我推导了原理方程。这是一个很奇妙的创新。在浅水长波条件下，水面的波高等同于可压缩气体流动的密度！这样，计算就可以分成前后两个层次：先用浅水长波方程算出二维流动，然后以算得的压力和水平流速为上边界条件，用完整的N-S方程对流动进行三维计算。这样的解耦方法，实现波动与基础绕流计算的统一，降低了计算量，提高了计算速度，同时保留了水面高度变化对构筑物下部冲刷的影响。

虽然自己的工作已不在水动领域，但我一直对“水汽比拟”念念不忘。现在大家都在提“原创”技术，这就属于从原理上进行创新，并能够有效解决实际问题。要想达到这种效果，既需要又深厚而渊博的理论功底，又能够对实际问题进行合理的简化，提出合理的模型。

我把相关成果写成文章，在《水动力学研究与进展》发表后，引起了中科院力学所的关注，陈老师安排我把方法和代码进行了共享，双方在此基础上合作，相关成果有效支撑了该所一个重点项目的研究和应用。用陈老师的话说“力学工作者的作用，是要争取‘第一个’解决问题，形成技术后交给工程师，后面就是他们的事情了”。我想这就是“技术科学”思想的体现。

（三）产业实践问题很复杂，要从根源上去思考和解决问题

空气动力学中，数值模拟与标模翼型的实验结果比对是一项非常重要的工作。2006年，AIAA阻力预测会议公布了一款DPW-W2模型的N-S黏性流计算考题，借此考察各类数值模型的精度和可靠性，引起业内的关注。由于该翼型的结构特点，传统计算方法得到的结果，始终在机翼尾部阻力系数增大。陈老师得知相关情况后，让我“试试看”。

与前几次安排任务不同的是，这次陈老师没有对具体的过程过问太多，只是隔三差五到我的座位旁询问进展，“不行再试试”。说实话，有一个多月，研究毫无进展，无论用了什么手段，尝试各种模型和系数，机翼中部的阻力始终“高高翘起”，我一度产生了放弃的念头。好在有了前几年的锻炼，信心逐步建立。我不断总结经验和规律，逐个排除影响因素。

在经历了多次失败后，我就按照陈老师说的“试试看”，打算对模型的网格数进行指数级增长。当时计算机的处理能力有限，增加网格数后，光输出网格文件就得等3个多小时。我记得那段时间每天都是早上不到8点就到实验室，晚上11点回宿舍前，把计算任务提交计算机，第二天早上看结果。

终于有一天早上，我带着早餐（博实门口的小笼包）到实验室，急迫的心情使我来不及吃早餐。结果出来了，中部的阻力系数“瘪”下去了，和实验结果几乎完美重合！我开心极了。

光获得结果还不够，还要知道“为什么”。我反复琢磨，原来要想计算正确，所有的壁面网格Y-Plus要小于1。正好这时陈老师走到身边，看了我的结论后，淡淡地说了一句：“你达到要求了。”

从盲目尝试到“Y-Plus

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以“技术科学”投身钢铁冶金工程技术研发和应用

钢铁冶金包括采矿、选矿、烧结、高炉炼铁、转炉炼钢、精炼、板带轧制、型钢轧制等数十道工艺，涉及结构强度、刚度、稳定性、导热、电磁、燃烧、流动、生产计划、物流调度、路径布局等数学物理问题。

相对于传统的经验设计方法，CAE仿真分析技术能在工程和产品的设计阶段，通过计算机的模拟分析，及早发现设计计算中的缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。

2008年7月，我硕士毕业，进入一家钢铁冶金领域的工程技术服务集团担任CAE工程师。早在1992年，国内绝大多数高校仍然没有普及CAE仿真分析技术的时候，这家公司就研发了一套有限元软件，用于计算热风炉的燃烧及格子砖的温度变化曲线，该软件也成为设计人员的必备工具。在我入职后，公司率先在国内钢铁工程公司中成立了CAE技术中心，购买了大型CAE软件，搭建了远程访问、计算服务器系统，组建了专职团队，为公司研发、设计服务。现在回想起来，当时国内只有汽车、航空航天、船舶等行业大企业有专业化的CAE团队，这对钢铁冶金工程技术领域还是一个新事物。

（一）一个系统仿真案例

我入职后不久，就接触到一个非常有代表性的系统仿真项目，该项目涉及的基础学科是“离散数学+运筹学”，我在北大学习时没有接触过，说实话，心里还是很忐忑。

炼钢厂规划布置设计是影响炼钢生产过程中物流控制难易的先天条件，需要综合考虑工厂规模、生产工艺流程、物料流向功能分区、厂内外运输、地形地质条件、各种间距、风向建筑朝向、预留发展等因素。传统方法通常是根据企业规模、工艺流程、场地条件，按照经验设计原则和简单的excel计算表，对各种设施实施建筑形式及位置选择，运输系统确定，厂区区划创造企业发展条件，以获得合理的总体布置方案，方案的优劣在很大程度上取决于设计人员的经验（60%经验作类比设计+30%拍脑袋+10%计算）。

当时，国内众多企业正在进行钢铁产品的结构调整以及产能扩张，随着新装备的建成投产，会对原生产流程、组织方式产生何种影响，面临新情况应该采用怎样对策等问题都是建设新项目应该考虑的，如何保证新建项目与原生产流程合理衔接，是能否顺利实现建设目标的重要问题。

传统的设计方法难以考虑生产过程中的动态复杂变化，经验化的参数与生产实际可能存在较大偏差，而计算机仿真技术的出现使得这一问题的解决成为可能。仿真技术通过对实际生产环境建模来模拟其生产过程，识别出系统瓶颈，对各种过程优化方案进行试验，了解系统的未来性能测度和长期动态特征，以改进设计或计划。

我组织团队，用了大概大半年的时间，开发了炼钢物流系统仿真平台，成功实现了对炼钢生产过程的有效的流程仿真，该平台作为实际系统的预测器，为方案决策和优化提供准确而详细的数据，将传统的经验型设计方法转化成了经验+仿真量化的精细化设计方法，使公司的设计方法向科学有效的方向迈向了一个新的台阶。

某钢厂物流仿真动画显示过程

上面这张图是我们开发的炼钢物流系统仿真平台。它采用面向对象，图形化的建模方式，可快速对炼钢生产系统中的生产设备、生产线、生产过程等进行建模、仿真和优化，优化空间规划、物资利用率、排产计划和产能。

首先，在建模过程中，用户根据设计方案需要在模块库中选取合适的模块，采用拖放方式按车间布局放置于相应位置，并根据工艺参数设置相应的仿真参数，完成对各模块的属性定义，即可搭建相应的仿真模型。

第二，这个平台提供了强大的动画显示功能和分析工具，在布置图上用不同颜色的图标显示了物流的周转和变化过程。仿真过程根据各模块的控制逻辑按照事件激发方式得以推进，过程数据被实时记录以供结果分析。设计者可通过动画清晰地看到各罐铁水/钢水被哪台天车吊送至哪一个设备进行下一步处理，整个生产过程在计算机上得以再现。同时，我们提供了多种综合分析工具，诸如设备利用率分析、瓶颈分析、Gantt 图分析、天车作业调度分析等，并且以柱状图、饼状图、单线图等方式直观的展现。设计者可以采用不同的分析工具对系统的性能进行评价，如通过天车作业调度图可以清楚得到各天车的作业范围，通过生产 Gantt 图可分析日产量问题等。

生产计划Gantt 图

第三，因为炼钢生产过程是一个复杂的离散与连续作业方式相结合的生产过程，连铸机在一段时间内的连续生产要求，对生产系统中的物质流、能量流在时间、温度上的管控提出了更高的要求，而作为物质流主要运输方式的吊车作业更需要在运行空间上进行相互协调。因此，在炼钢物流系统仿真平台中融合各种优化工具，以协调和控制炼钢生产过程中物质状态转变、物质性质控制、物质流管制在时间、温度和空间上的诸多要求。我们在研究的过程中（例如在作业计划优化制定），在采用“仿真+遗传算法”进行耦合计算优化。

我们开发的炼钢物流系统仿真平台从研发开始便与工程设计相结合，在实践中逐步完善和扩充仿真模块，广泛应用于几十个国内外炼钢工程项目的规划和设计。不仅可分析设计方案的合理性，还可以提供满足设计要求的调度策略，如一罐制中高炉下的配罐制度、各跨天车合理的作业范围等。设计人员在形成设计方案后，便进行仿真建模分析，通过多个仿真案例，从不同角度了解系统的未来性能和动态特征。根据仿真数据分析是否达到预定产量，车间布置是否合理，各跨天车利用率是否充足，各种罐暂时堆存缓冲区的最佳位置等，当发现设计系统存在不合理性时，设计人员可通过仿真动画和各种分析工具很容易找到产生问题的原因，从而有的放矢的修改设计方案再进行仿真分析。通过这种设计、仿真、修改设计、仿真……螺旋式上升的精细化设计方法，最终形成优化的设计方案提供给用户。

综上，大家可以体会出来，这是一个“基于数学模型的系统建模和优化”。使计算机技术和工厂设计有机结合，可以为精细化设计注入新的活力，为客户提供全生命周期的服务。

（二）其它工程技术研发经历

从2008年到2011年，在我的组织下，我们一共完成了公司68项科技开发项目，还有95项设计部门委托的CAE仿真分析任务。从机理研究到参数优化、设计方案定型，甚至现场问题诊断、故障分析，都能发现CAE仿真分析技术的身影，它已经完全融入在公司的工艺、设备研发和工程设计流程中。

1、工程设计优化

工程设计离不开参数的选择和确定，传统设计往往有很大的优化空间，CAE仿真分析正是进行参数优化的重要手段。我组织团队开发了散状料行业三维物流仿真技术平台，可广泛应用于电力、建材、化工、码头、冶金、有色等行业的物流供应系统。

我们以国内某钢厂千万吨级大型原料场设计为蓝本，采用模块化设计，建立输入系统、料场、输出系统、混匀系统等全三维仿真模型，对39个单项工艺系统以及3个独立工艺系统流程，按实际生产操作规则进行了模拟运行仿真研究，全面真实地反映大型综合原料场的生产运行状况，并有效地优化设计和生产调度方案。

这是当时行业内实施的最大物流仿真分析项目，也是业内首次对千万吨级大型原料场系统进行全三维物流仿真分析。与传统设计方法相比，物流仿真不仅全面、真实地反映了原料场的生产运行状况，对生产运行提出了指导意见，还缩短胶带机2.5km，节约占地面积3万多平方米，有效降低直接经济成本约合4000多万元。

2010年初，炼铁事业部一位设计人员在参与攀西工程时，发现设计方案中的出铁场模具有些偏重，应该有优化的可能。为此，她主动向我们提交了优化出铁场模具结构的仿真分析委托。通过多方案的比较，我们使主沟模具的模芯钢板厚度由原来的12mm减薄至9mm，渣沟模具的模芯钢板由原来的8mm减薄至6mm。这样，模具的重量可节省约12％。从那以后，这项优化成果已经形成炼铁专业的一项设计经验，在多个工程上应用。

2、工程投标开拓

在激烈的竞争面前，企业以什么取胜？除了采用新的生产工艺，提出更具有竞争力的技术方案和保证值外，CAE仿真分析以直观、生动、形象很好地展示了设计方案的内在逻辑和运行机理，由此打动业主，助力项目投标。

在某钢厂4700mm宽厚板轧机工厂设计项目投标中，由于投标方案的特殊性，该项目物流仿真工作的难度和工作量非常大。我组织了一个跨专业的工作团队，工艺、设备技术人员负责设计说明书、算轧制表，三维技术人员负责三维模型，CAE技术人员负责仿真建模，大家并肩协作，连续大半个月“白加黑”“五加二”地拼搏，分析设计问题、调试仿真模型。

最终，在投标会前两天，我们制定出了四个典型的生产计划，并在物流仿真模型上全部通过了长时间循环运行测试。在投标交流中，针对业主十分担心的1#、3#冷床的节奏匹配、多块板坯交叉轧制和厚板薄板交叉编制的节奏问题，我们通过参数化实时仿真分析和现场演示，给业主吃了一颗“定心丸”，公司也成功中标，再次证明了CAE技术对于提升企业竞争力的重要作用。

3、现场问题诊断

结合调研资料，CAE仿真分析技术可以还原现场生产的各种环境和条件，更加准确高效地找到问题根源所在。

2009年9月，某钢厂高炉采用的PW型旋流除尘器旋流板出现断裂，业主向我们公司提出了改造设备的请求。如何才能保证改造后不再断裂呢？炼铁事业部认为增加环形通道尺寸、降低气体流速是一个有效的办法。我们迅速配合开展工作，在最短的时间内拿出了优化结果。光有仿真还不行，通过现场实测，我们证实了CAE仿真分析的误差在7%以内。

SAIXIANSHENG

钢铁生产是非常复杂的流程，涉及各种物理和化学变化，对计算的挑战性也很大。在多年的研发工作中，我接触到了从原料处理，到冶炼，再到轧制，以及后处理、公辅的全过程，包括基于有限元和有限体积法的工艺过程、装备仿真，还拓展了基于离散数学和运筹学的系统模拟，相关成果支撑了公司大量的新产品开发和设计优化，应用在国内外大量的钢铁工程。其中一项科研成果还获得了2016年冶金行业科技进步一等奖。我主持开发的“适用于冶金气固逆流反应器的数值仿真模型”，将高炉、竖炉的全炉仿真计算效率显著提升，成为可以实现短时计算，指导生产的数值仿真模型。

2024年，陈老师给我写了一段话，我感触颇深：

实践除了直接参与以外，还包括对周围事物变化的关心。要“好奇”，还要“好问”，求索“奇”背后的道理。用我们专业的话说“奇”到量，“问”到通。也就是找出促成“奇”的因子和它们之间的逻辑关系。世上事物千千万，不可能都如此做。但对引起你注意（兴趣）的事物，你就按这一思路求个“可能的结论”作为“心得”以待来日。真遇到要你解决类似的问题时，你就会比别人“先一步”拿出解决办法。脑袋长在自己头上，多费点心就可获得或粗或细的结论。这类“结论”多了，你的应用力学水平自然就高。

在面向工程实践的过程中，数学是不可或缺的工具，通过数学方法、算法、模型以及多学科融合（陈老师一直提倡的“A+B”）解决实际问题，是每一个从事技术科学产业实践的科技人员要掌握的基本技能。

钟星立

2025年5月

作者简介：

钟星立，2001级入学北大力学系，2008年硕士毕业，现为正高级工程师。

陈耀松评论

我们《技术科学论坛》开张已二个多月了。在《赛先生》公众号发稿比较顺利。安亦然准备的第三篇文稿已经发表，按时与大家见面。

在《论坛》里交谈比较自由。除了交换信息，讨论工作以外我们可以切磋科技业务。这不但可以提高大家的专业水平，还有利于今后面对科技需要时组织协作工作队。

4月初我和同志们商量针对同一课题的两篇文章来讨论。盼能通过讨论激活我们的科技思想。万事起步难，提出一个多星期不见有反响。那我自己来带头，大家来参与！

20多年前，上海利用扬子江口深水区的一个小岛建一个大码头 – 洋山港。从码头到上海要建跨海大桥。江水海浪对桥梁的考验首先在桥墩 – 桥墩的基础能否经得住“冲刷”。上海交大承担这海洋工程的水动力研究。重点当然是在桥墩墩基附近的水动力。

“思想实验”是爱因斯很喜欢用的研究方法。他将他掌握的理论知识合在一起看能有什么新的发现，那是他的独角戏。钟星立和我爱演“双簧”，当遇到一个课题选定算法时总要问为什么？其中比较典型的就是《近海工程基部的海流计算》一文，它是读完专业学者围绕同一对象的多个方面的分别研究后再讨论的结果。已考虑“多个方面”，却没有顾及彼此的影响！桥墩在海口，桥墩基础冲刷主要是海浪。作者的计算桥墩归桥墩，海浪归海浪各不相干。做起来简单但与实况出入较大。如今资源丰富可以波浪桥墩一起算，但“浅水波假定”不能用了，计算工作量猛增，远不止一加一。作者将它分开算的原因也仅是为了“省”。我们师徒讨论了几次 – 能否在不增加计算工作量的条件下计及波浪对墩基的影响？有了，将时间分成小步，每步先算波浪，在已知波浪（边条件）下计算桥墩绕流。然后再算下一步。计算波浪本来就要一步一步来，所以我们并未增加计算工作量，却算得波浪对桥墩的影响。

LIU Hua ：《Hydrodynamic Problems Associated with Construction of sea-crossing Bridges》

作者计算江水潮浪对桥墩的冲击力用了“浅水波理论”。而在计算桥墩后面的涡流时对水表面作了“刚盖似定（即采用对称边界条件）”。这么一来就将桥墩后面的复杂表面“抹平”了。在桥墩后最大的“湍动”推动力被抹刹了。

达芬奇桥墩后的水流草稿

讨论完后钟星立按我们的思路完成他的大学论文：《近海工程基部的海流计算》（发表于05年水动增刊）。

上面说了钟星立“好辩”，但他还好“动”，只要有可能都要动一动。一个星期天他又来上机，我问他算什么？原来是同学在做的课题他利用计算机空隙照着“敲一遍”。

九年前在上海大学和上海大学应用数学和力学所领导主持下讨论发展“技术科学”

以上说的只是这一批研究生在我组内活动的情况。08年我组一批四位硕士毕业离校（无留校名额）。正逢力学所登报征聘两位博士以解决国家重大问题。我拿组里学生的论文给力学所看，次日报上征聘即改为“硕士”。两位赶去力学所报道的硕士，未让领导失望，解决了问题，完成了任务。按钟星立的表现我推荐他去上海大学。按我组学生学业的信誉上海大学破例安置原为博士保留的岗位。只是钟星立不干，坚持要去钢厂。从后来他做出的成绩来看，他“坚持”对了。不但成为坚持学业创新的标兵，获得全国五一劳动奖章，而且是一个继承发扬钱老“技术科学”的积极分子。

来源：东窗史谈一点号