高妍　毛艷玲

張揚軍，湖北宜昌人，發(fā)動機流體力學專家；教育部長江學者特聘教授，清華大學汽車工程系教授、博士生導師；北京航空航天大學航空發(fā)動機專業(yè)博士。主要從事發(fā)動機增壓及總能利用研究。現(xiàn)擔任清華大學特種動力研究中心主任、汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室副主任，國際雜志I.J. of Fluid Machinery and System主編。

采訪張揚軍是在一個陰雨的午后。他個子不高，皮膚略黑，穿著樸素，聲音細亮，語速有點快，笑起來憨厚爽朗。

幼年苦寒掙扎，少年篤志求學，青年厚積薄發(fā)……從長江邊的苦孩子，到清華大學教授、長江學者特聘教授，張揚軍的成長充滿了艱辛與傳奇。這樣一個人，有太多故事可以述說。

但相比那些故事，張揚軍更愿意分享他的科研之路—從航空到汽車的跨行業(yè)交叉創(chuàng)新之路，分享他對行業(yè)未來發(fā)展的預(yù)見，分享他對科研事業(yè)的熱愛與忠誠。

渦輪增壓：航空與汽車跨行業(yè)交叉

1999年12月，張揚軍調(diào)入清華大學汽車工程系，從航空到汽車跨越正是從這個時候開始。在這之前，他就職于清華大學流體機械及工程研究所，更早的時候他在北航完成了本碩博三個階段的學習，專業(yè)是航空發(fā)動機。

雖已轉(zhuǎn)入汽車工程系，但張揚軍并未放下自己在航空領(lǐng)域的多年積累。怎么用航空領(lǐng)域的研究所得，幫助自己在汽車工程研究方面開拓出一片天地，是他一直在思考的問題。

2000年10月20日，作為最年輕的獲獎?wù)撸瑥垞P軍與其他9位博士后一起，獲頒“首屆中國優(yōu)秀博士后獎”。

作為中國博士后制度的倡導者、著名物理學家李政道先生專程回國頒獎。張揚軍得以與李政道產(chǎn)生短暫交集，他仍清楚記得當時的情形，記得那句讓他受益至今的話。

典禮前的座談會上，張揚軍身上的幾個特殊“標簽”（清華大學、最年輕的獲獎?wù)?，成果在航空航天領(lǐng)域單位卻屬汽車工程系）引起了李政道先生的好奇。在了解到張揚軍正基于航空葉輪機流體力學的研究基礎(chǔ)，進行內(nèi)燃機流體力學的研究時，李政道大加贊賞，并說：“向同行學習，產(chǎn)生量變；跨行業(yè)交叉，產(chǎn)生質(zhì)變！”

就是這句話，使張揚軍茅塞頓開?！皽u輪增壓技術(shù)是典型的源自航空的流體技術(shù)，利用這一技術(shù)開展汽車工程研究與應(yīng)用，正是跨行業(yè)交叉研究?！鼻拜叺墓膭?，堅定了張揚軍開展交叉研究的信念，幫助他在航空與汽車的交叉交融中孕育出豐碩的成果。

渦輪增壓，就是通過渦輪驅(qū)動壓氣機，對發(fā)動機進氣增壓，提高發(fā)動機進氣量，從而有效提高發(fā)動機功率、降低發(fā)動機油耗和排放。

渦輪增壓是先進高效低碳內(nèi)燃機研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。作為汽車、通用航空和船舶等交通運載工具的主導動力，內(nèi)燃機每年消耗的燃油約占全年石油消耗總量的60%，相當于我國全年進口石油總量，節(jié)油降耗的壓力一直都在。

張揚軍介紹，隨著研究的推進，越來越多的人認識到，不斷提高渦輪增壓比、縮小排量，是汽車節(jié)能的基礎(chǔ)戰(zhàn)略和主要技術(shù)途徑。同時，通過高增壓提高進氣密度，也是解決汽車高原和通用航空高空環(huán)境適應(yīng)性問題的技術(shù)關(guān)鍵，適合我國高原面積廣闊、通用航空發(fā)展迅速的國情。因此，高增壓技術(shù)不僅是汽車節(jié)能減排研究的國際前沿與熱點、我國內(nèi)燃機和汽車零部件產(chǎn)業(yè)升級急需突破的主要瓶頸，同時也是通用航空先進動力研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。

我國從“十一五”開始，啟動了內(nèi)燃機高增壓研究的973課題，張揚軍為課題負責人。當時國內(nèi)內(nèi)燃機的增壓水平僅為3.5，壓比>4的高增壓技術(shù)完全被國際大公司壟斷。

張揚軍解釋，內(nèi)燃機增壓壓比接近4時，增壓離心壓氣機流動就由亞聲速進入跨聲速領(lǐng)域。“跨聲速領(lǐng)域增壓比的提高十分困難，世界上最大的渦輪增壓器公司Honeywell基于豐富的設(shè)計經(jīng)驗和實驗數(shù)據(jù)，花了17年的時間（1985～2002年），才將該公司的內(nèi)燃機增壓比水平從3.3提升到了3.8。”

擁有雄厚研究基礎(chǔ)與領(lǐng)先技術(shù)水平的世界一流公司尚且如此，何況是實力仍與國際存在一定差距的我們。大家就都明白，我國設(shè)計經(jīng)驗和實驗數(shù)據(jù)均十分缺乏，要突破壓比>4的高增壓技術(shù)，必須進行理論創(chuàng)新。

張揚軍所帶領(lǐng)的發(fā)動機流體與增壓團隊，在國家973等課題的支持下開始了研究工作。他們針對高增壓技術(shù)發(fā)展所面臨的壓氣機范圍窄、渦輪效率低和全工況匹配難等三大技術(shù)難點，將航空葉輪機的先進流動控制方法應(yīng)用于內(nèi)燃機渦輪增壓研究，進行內(nèi)燃機高增壓流動理論與方法創(chuàng)新，通過理論創(chuàng)新促進技術(shù)突破和工程應(yīng)用，可謂“戰(zhàn)功”卓著。

在高增壓壓氣機擴穩(wěn)研究方面，他們揭示了壓氣機流場匹配擴穩(wěn)新機理，提出并發(fā)展了高增壓跨聲速壓氣機非對稱控制擴穩(wěn)技術(shù)，實現(xiàn)了我國內(nèi)燃機增壓壓氣機設(shè)計由亞聲速到跨聲速的技術(shù)跨越，解決了傳統(tǒng)對稱控制擴穩(wěn)技術(shù)在跨聲速壓氣機應(yīng)用效果差的技術(shù)難題，突破了高增壓壓氣機穩(wěn)定工作范圍過窄的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

在高增壓渦輪增效研究方面，他們揭示了渦輪脈沖流場整流增效新機制，提出并發(fā)展了基于動態(tài)來流、減小對排氣脈沖敏感性的渦輪設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)了增壓渦輪設(shè)計由基于穩(wěn)態(tài)來流向基于動態(tài)來流的技術(shù)跨越，解決了在內(nèi)燃機排氣脈沖條件下高增壓渦輪效率大幅降低的技術(shù)難題，突破了高增壓渦輪工作效率低的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

在高增壓全工況匹配研究方面，他們創(chuàng)建了壓氣機與渦輪系統(tǒng)通流模型，提出并發(fā)展了內(nèi)燃機增壓通流匹配技術(shù)，實現(xiàn)了增壓系統(tǒng)匹配由零維、單向匹配向一維、耦合匹配的技術(shù)跨越，解決了高增壓全工況匹配技術(shù)難題，突破了內(nèi)燃機高增壓系統(tǒng)工況適應(yīng)性差的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

這三大技術(shù)瓶頸的突破，成功將我國車用內(nèi)燃機增壓水平由3.5提升至4.0以上，有效支撐了水陸兩棲等特種車輛的研發(fā)。以此為基礎(chǔ)，張揚軍團隊成功研制出多個系列高增壓渦輪增壓器產(chǎn)品，打破了Honeywell、ABB等國際公司在高增壓渦輪增壓器領(lǐng)域的市場壟斷，并實現(xiàn)了我國渦輪增壓器出口與國外大型內(nèi)燃機和汽車公司進行零部件直接配套“零”的突破。

同時，他們有效解決了內(nèi)燃機的高原適應(yīng)性問題，突破了工程機械在“世界第三極”青藏高原地區(qū)使用功率嚴重下降的重大瓶頸，實現(xiàn)了工程機械動力海拔4500米功率下降<5%的世界領(lǐng)先水平。

更為重要的是，這一研究成果打破了國外對通用航空內(nèi)燃機高增壓技術(shù)的封鎖，可使無人機升限在原來基礎(chǔ)上提高5000米以上。而作為通用航空高端產(chǎn)品，高空無人機在氣象預(yù)測、通訊中繼和災(zāi)害預(yù)測等領(lǐng)域，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

這一成果也獲得了國內(nèi)外廣泛贊譽—

高增壓流動理論與技術(shù)研究成果，被收入中國科技文獻出版社出版的《2012—2013工程熱物理學科發(fā)展報告》，且被中國工程熱物理學會在中國科協(xié)組織的“2014中國科協(xié)學術(shù)建設(shè)發(fā)布會”上作為工程熱物理學科的重要進展和成果進行了發(fā)布。

美國Honeywell公司在2012年ASME年會的增壓研究綜述論文中，對張揚軍團隊的高增壓研究進行了高度評價，稱其是“國際上首次利用非對稱流動控制進行壓氣機擴穩(wěn)研究”。

英國帝國理工大學教授Ricardo在第五屆泵與風機國際大會作特邀報告時，特別提到“現(xiàn)有傳統(tǒng)的設(shè)計方法均未能考慮發(fā)動機排氣脈沖效應(yīng)的影響”，而張揚軍團隊“減小敏感性的研究非常有效”。

日本IHI公司也曾表示該團隊的高增壓流動研究對“內(nèi)燃機增壓研究起到了引領(lǐng)作用”。

同時，高增壓研究發(fā)表的論文于2010年獲得英國J.of Power and Energy雜志的年度最佳論文獎，2012年獲美國ASME Tubo Expo的大會最佳論文獎。張揚軍還代表中國工程熱物理學會，應(yīng)邀在韓國舉行的ISFMFE2012流體機械國際會議上，作高增壓研究進展的大會特邀報告。

2014年1月10日，張揚軍領(lǐng)銜的研究成果“內(nèi)燃機全工況高增壓關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用”榮獲2013年國家科技進步二等獎。他代表團隊在人民大會堂受到習近平總書記和李克強總理等黨和國家領(lǐng)導人的親切接見。

如今，他們正依托團隊的高增壓研究基礎(chǔ)和清華大學汽車工程系的電動汽車研究優(yōu)勢，開展電動渦扇發(fā)動機的研發(fā)。張揚軍介紹，電動渦扇推進可應(yīng)用于無人機和教練機，具有維護簡單、安全性高、經(jīng)濟性好、噪聲低等優(yōu)點，飛行一小時的能耗成本還不到傳統(tǒng)內(nèi)燃機動力飛機的十分之一。隨著低空空域改革的不斷深化和中國通用航空產(chǎn)業(yè)環(huán)境的不斷完善，張揚軍認為電動渦扇推進將具有很好的應(yīng)用前景。

渦輪復(fù)合：渦輪增壓技術(shù)的升級換代

9月末，習近平主席訪美中方成果清單剛一公布，就引起了廣泛關(guān)注，張揚軍就是關(guān)注者之一。他最關(guān)注的是中美雙方在清潔能源領(lǐng)域的交流與合作?！啊聠右粋€提高中載至重載卡車能源效率的技術(shù)合作領(lǐng)域……促進高能效卡車的開發(fā)及其在兩國市場的應(yīng)用，以顯著降低交通運輸領(lǐng)域的燃油消耗和溫室氣體排放?！?/p>

張揚軍正在攻關(guān)的項目恰好就在這個范圍內(nèi)—通過渦輪復(fù)合實現(xiàn)發(fā)動機余壓余熱能的動力回收與利用，有效提高內(nèi)燃機的總能利用率。

交通節(jié)能向來是實現(xiàn)節(jié)能減排的三大戰(zhàn)場之一，內(nèi)燃機余壓余熱能利用等交通節(jié)能技術(shù)更是工業(yè)節(jié)能和建筑節(jié)能的共性關(guān)鍵技術(shù)?！艾F(xiàn)在，內(nèi)燃機消耗的燃油能量，有60%都以余壓余熱能的形式排掉了，這是一個非常大的浪費。內(nèi)燃機余壓余熱能是一個沒有污染的余能資源，如果能夠回收利用，哪怕只是一部分，發(fā)展空間也是巨大的。”張揚軍激動地說。

他正在研究的渦輪復(fù)合技術(shù)，就是要激活這個余能空間。該技術(shù)能夠有效利用發(fā)動機排氣余壓余熱能，通過動力渦輪將部分能量轉(zhuǎn)化為有效功，提高內(nèi)燃機燃油經(jīng)濟性、降低二氧化碳排放。它是渦輪增壓的升級換代技術(shù)，同樣是跨行業(yè)交叉研究的結(jié)晶。通過渦輪復(fù)合回收利用發(fā)動機余壓余熱能是內(nèi)燃機節(jié)能減排的新增長點和主要發(fā)展方向，也是當代發(fā)動機流體力學研究的主要學科前沿問題。

2011年前后，受胡錦濤主席委托，兩院（中國工程院和中國科學院）啟動了由師昌緒院士任組長、劉大響和徐建中院士任副組長，聚集了50多位兩院院士、75位特邀專家的“航空發(fā)動機和燃氣輪機‘兩機專項”調(diào)研工作。作為75位特邀專家之一，張揚軍得以與航空發(fā)動機領(lǐng)域的院士們一起工作。

北京航空航天大學的陳懋章院士對于他將航空葉輪機領(lǐng)域的先進流體技術(shù)跨行業(yè)交叉創(chuàng)新應(yīng)用于汽車內(nèi)燃機領(lǐng)域非常贊賞，并鼓勵他除汽車內(nèi)燃機領(lǐng)域外，還可進一步拓展應(yīng)用于船舶和通用航空內(nèi)燃機等領(lǐng)域。

交流中，他從徐建中院士正在開展的973課題航空發(fā)動機對轉(zhuǎn)渦輪研究中得到啟示，再結(jié)合渦輪復(fù)合研究情況，創(chuàng)新提出了內(nèi)燃機對轉(zhuǎn)渦輪復(fù)合新方案，并最終發(fā)展了對轉(zhuǎn)渦輪復(fù)合新技術(shù)。

在“十二五”國家973等課題支持下，張揚軍團隊從整機循環(huán)、系統(tǒng)集成和部件設(shè)計三個層次進行了內(nèi)燃機余能利用渦輪復(fù)合技術(shù)的研發(fā)，已經(jīng)取得了多項創(chuàng)新成果—

建立了以循環(huán)耦合設(shè)計參數(shù)為變量的渦輪系統(tǒng)通流模型，揭示了渦輪復(fù)合氣動循環(huán)的能量分配效應(yīng)，提出變幾何渦輪復(fù)合循環(huán)方案，可提高內(nèi)燃機全工況總能效率。

揭示了兩級渦輪系統(tǒng)的流場匹配效應(yīng)，提出對轉(zhuǎn)渦輪復(fù)合系統(tǒng)，可有效提高渦輪系統(tǒng)的總效率。

發(fā)展了渦輪發(fā)電/傳動系統(tǒng)一體化設(shè)計方法，通過一體化設(shè)計降低渦輪發(fā)電機或液力偶合器的轉(zhuǎn)速，提高系統(tǒng)總效率，并有效降低系統(tǒng)成本。

以這些成果為基礎(chǔ)，張揚軍團隊與東風商用車公司等合作，研制出了我國第一臺渦輪復(fù)合內(nèi)燃機原理樣機。臺架測試結(jié)果表明，渦輪復(fù)合系統(tǒng)可提高總能效率7.8%，優(yōu)于Volvo、Detroit、Scania等國際公司的渦輪復(fù)合技術(shù)提高發(fā)動機總能效率5%～6%的技術(shù)指標。2011年以來，國際上發(fā)表SCI和EI檢索的內(nèi)燃機渦輪復(fù)合相關(guān)論文機構(gòu)排名中，清華大學（張揚軍團隊）均名列第一。瑞典皇家理工學院學者2015年在Renewable and Sustainable Energy Reviews上發(fā)表的內(nèi)燃機渦輪復(fù)合技術(shù)研究綜述論文中，詳細介紹了張揚軍團隊的相關(guān)研究成果。張揚軍應(yīng)邀在日本舉行的AIFMC2015亞洲流體機械國際會議上，就渦輪復(fù)合研究進展作大會主題報告。

作為落實《中國制造2025》的重要舉措，中國汽車工業(yè)協(xié)會已經(jīng)完成了中國汽車行業(yè)工業(yè)強基重點支持方向的梳理工作。清華大學研發(fā)的內(nèi)燃機渦輪復(fù)合系統(tǒng)，作為核心基礎(chǔ)零部件被列入了中國汽車行業(yè)工業(yè)強基的重點支持方向。

當前，團隊正在內(nèi)燃機渦輪復(fù)合系統(tǒng)原理樣機的基礎(chǔ)上進行產(chǎn)品樣機開發(fā)，力爭早日將該項技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

渦輪ORC：新能源利用與能源互聯(lián)網(wǎng)

電動汽車、電動船舶、電動飛機、分布式發(fā)電……這些未來新能源利用科研的發(fā)展重點，無一不在能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)范疇之內(nèi)。

采訪中，張揚軍為我們展望了能源互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)后的一個美好場景：

每個建筑上都有微型渦輪ORC（有機朗肯循環(huán)）太陽能發(fā)電廠，產(chǎn)生的電能通過無線方式傳給能源互聯(lián)網(wǎng)。電動汽車、船舶和飛機等可以通過無線連接方式，隨時利用能源互聯(lián)網(wǎng)充電，成為巨大的儲能機構(gòu)。到那個時候，電動汽車、船舶和飛機等新能源交通工具將成為能源互聯(lián)網(wǎng)中不可或缺的一部分。

張揚軍團隊開展的渦輪ORC發(fā)電研究，都是在為這個場景的實現(xiàn)加油助力。在國家973等課題支持下，張揚軍團隊已經(jīng)在渦輪ORC發(fā)電研究方面取得了一定進展。

他們發(fā)展了ORC總能優(yōu)化技術(shù)，通過ORC循環(huán)熱力過程與余熱源傳熱過程的流動綜合優(yōu)化、渦輪膨脹機低比速設(shè)計，提高系統(tǒng)總能利用率、降低系統(tǒng)成本。團隊核心研究骨干諸葛偉林副教授應(yīng)邀在韓國舉行的AFORE2015亞太可再生能源國際會議上，就渦輪ORC研究進展作大會特邀報告。

他們與湖北武冷集團、中船重工等聯(lián)合研發(fā)了工業(yè)及船用110kWORC總能循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，已分別在山東德州大禹化工和宜昌興發(fā)示范運行。目前正與東風商用車、長江動力、三峽大學等進行車用及建筑太陽能利用5-10kW ORC發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)。

他們創(chuàng)新性地提出了燃料電池ORC發(fā)電新概念?！叭剂想姵赜酂酧RC發(fā)電，通過燃料電池堆冷卻極板與ORC系統(tǒng)蒸發(fā)器的一體化設(shè)計，不僅有效回收利用燃料電池反應(yīng)熱，同時可有效解決燃料電池散熱困難的關(guān)鍵瓶頸之一。該項技術(shù)若能突破，在新能源汽車、船舶和分布式發(fā)電領(lǐng)域，將具有廣闊的應(yīng)用前景。”

十幾年來，張揚軍從航空走向汽車，又立足汽車面向通用航空、船舶及新能源領(lǐng)域，堅持走跨行業(yè)交叉創(chuàng)新之路，始終圍繞以流體為工質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換裝置—發(fā)動機進行研究，并形成了鮮明的研究特色。他嗅覺敏銳，有大局觀，總能在不斷變換的大環(huán)境中，挖掘出自身擅長又適應(yīng)社會發(fā)展趨勢的前瞻性研究點，并積極布局、努力突破。無論渦輪增壓，還是渦輪ORC，張揚軍都是立足實際，面向未來。

張揚軍團隊在研究過程中對產(chǎn)學研用協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展模式的探索，也可為今后工作的開展提供有益借鑒。

他所領(lǐng)導的發(fā)動機流體與增壓團隊，是由清華大學汽車系、熱能系和航院等相關(guān)教師組成的跨院系創(chuàng)新團隊。該團隊有效利用學校相關(guān)院系的流體力學學科研究與行業(yè)背景優(yōu)勢，按照學校頂層設(shè)計和布局，發(fā)揮群體效應(yīng)，進行動力研發(fā)及新能源利用等共性流體關(guān)鍵技術(shù)的有組織創(chuàng)新研究。

“產(chǎn)學研用合作的關(guān)鍵在于突破產(chǎn)、學、研、用各自為政的壁壘?！痹诤笔】萍紡d和宜昌市委市政府等的支持下，立足于技術(shù)發(fā)展和行業(yè)需求，張揚軍團隊聯(lián)合位于武漢的武冷、東風商用車、長江動力，以及位于宜昌的中船重工404廠、三峽大學、宜昌興發(fā)等單位，進行低溫余熱ORC總能循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)與示范，改變了以往“先有成果，再找企業(yè)”的思維模式，探索出一條以需求為牽引、技術(shù)為主線、企業(yè)為平臺、資金為紐帶、團隊為核心的產(chǎn)學研用融合創(chuàng)新發(fā)展模式，實現(xiàn)了產(chǎn)學研用的“無縫鏈接”，在與企業(yè)緊密合作的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了科研創(chuàng)新、產(chǎn)品開發(fā)和人才培養(yǎng)的三重目標。

在我們身邊，有太多張揚軍一樣默默無聞的科研人員在為美好的未來付出心血。哪怕沒有機會親身感受，但張揚軍們依舊全力以赴，因為熱愛，因為忠誠，因為值得。