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1 工程熱物理 -簡介

  工程熱物理學科是能源利用領域的主要基礎學科,工程熱物理學科的發展推動了能源科技的進步。從人類利用能源和動力發展的歷史看,古代人類幾乎完全依靠可再生能源,人工或簡單機械已經能夠適應農耕社會的需要。近代以來,蒸汽機的發明喚起了第一次工業革命,而能源基礎,則是以煤為主的化石能源,從小規模的發電技術,到大電網,支撐了大工業生產相應的大規模能源使用。石油、天然氣在內燃機、柴油機中的廣泛使用,奠定了現代交通基礎,燃氣輪機的技術進步使飛機突破聲障,這些進一步適應了高度集中生產的需要。但是化石能源過度使用,造成嚴重環境污染,而且化石能源資源終將枯竭,嚴重地威脅著人類的生存和發展,要求人類必須再一次主要地使用可再生能源。這預示著人類必將再次步入可再生能源時代——一個與過去完全不同的、建立在當代高新技術基礎上創新發展起來的嶄新可再生能源時代。面對這個時代的召喚,工程熱物理學科的發展既要適應可再生能源分散的特點,又要能為大工業發展提供能源,需要構建分佈與集中供能有機結合的新型能源系統。在這個過程中,工程熱物理學科面臨新的機遇與挑戰。工程熱物理學科的發展和能源科學技術進步對人類社會將產生重大影響,將會出現許多偉大的變革,包括能源科技的重大發展。一些新的能源利用方式,如新型動力機械、新型發電技術、湧現的新能源等。

2 工程熱物理 -能源問題

  能源問題是社會與經濟發展的一個長期制約因素,關係全局的主要能源問題有:能源需求增長迅速,供需矛盾尖銳;能源結構不合理,優質能源短缺;效率低下,浪費驚人;環境影響更加嚴重,減排治污、保護生態刻不容緩;能源安全問題突出,全球戰略勢在必行等。綜上所述,中國面臨能源和環境雙重巨大壓力,是經濟和社會發展的長期瓶頸,是始終必須高度重視的重大問題。能源發展、保護環境、節能減排對中國至關重要,是確保清潔、經濟、充足、安全能源供應的根本出路。大量研究和歷史經驗表明,解決能源與環境問題的根本途徑是依靠科學技術進步,因此工程熱物理等相關學科將承擔起中國國民經濟發展的能源與環境的重大需求,努力推進節能和科學用能已成為學科的指導思想和核心,而抓緊化石燃料的潔凈技術、大力開發可再生能源和新能源技術則是工程熱物理學科的發展戰略重點。

3 工程熱物理 -學科方向與進展

  工程熱物理是一個體系完整的應用基礎學科,就其主要研究領域應屬技術學科,每一個分支學科都有堅實的理論基礎和應用背景。工程熱力學與能源利用分學科的基石是熱力學第一、第二定律,目的是為從基本原理上考慮能源利用和環境問題提供理論與方法,其它分支學科在熱力學定律基礎上,擁有各具特色的理論和應用基礎。熱機氣動熱力學與流體機械分學科的理論基礎是牛頓力學定律,傳熱傳質分學科的理論基礎是傳熱、傳質定律,燃燒學分學科的理論基礎是化學反應動力學理論等等。1. 工程熱力學與能源利用分學科

  熱力學基礎研究方面,在統計熱力學及分子模擬領域有兩方面進展,一是分形理論等新的分析手段的引進,取得了好的效果;另一方面,統計熱力學及分子模擬研究開始向實用化邁進。
  為滿足國家節能減排的重大需求,各種餘熱驅動、低溫餘熱利用以及大溫差的製冷循環研究不斷深入,吸收、吸附式製冷循環,復疊式製冷循環以及水基有機混合物相變蓄冷等新型蓄能技術被廣泛研究。熱聲理論得到快速發展的同時,熱聲製冷和熱聲發電技術在實驗、應用方面的研究進展很快。
  能的綜合梯級利用理論不斷完善和發展。分散式能源系統作為能的梯級利用技術的典型代表,在基本原理、關鍵技術和系統集成等全方位開展研究,為該技術產業化示範奠定了基礎。化學能與物理能綜合梯級利用原理的提出拓展了能的梯級利用原理,提出了化石燃料與太陽能互補的間接燃燒能量釋放新機理,拓展了一系列化學能與物理能綜合梯級利用系統集成的創新。
  可再生能源與溫室氣體控制是能源與環境領域研究的重要主題。中國近年來經歷了對各種太陽能熱發電形式的關鍵技術研究,並啟動了國家太陽能熱發電技術專項研究。太陽能光催化分解水制氫研究在催化劑、制氫設備和制氫系統等方面取得實驗室進展。太陽能燃料轉換技術的研究有望實現實用化的太陽能燃料開發。在生物質發電、生物質制氫和液體燃料等方面也取得一定進展。中國學者首次提出了能源轉換利用與CO2分離一體化原理,實現低能耗甚至無能耗分離CO2,研究制定了適合中國國情的溫室氣體控制技術路線。2. 熱機氣動熱力學與流體機械分學科

  國際上現已採用三維粘性計算流體動力學設計航空發動機諸部件,尤其是葉輪機械設計。葉輪機械設計系統由二維、准三維、定常設計到全三維、粘性、非定常設計的過渡是學科發展的趨勢。在航空發動機設計方面,上述趨勢也充分體現在對風扇/壓氣機、對轉渦淪技術和旋轉衝壓發動機技術的研究中。
  從熱機氣動熱力學角度看,未來燃氣輪機的科學技術發展需要進一步研究高性能葉輪機械內部非定常複雜流場結構和機理、與氣動熱力學緊密相關的燃氣透平葉片冷卻技術及其流熱固耦合機理與優化設計方法。相關工作圍繞著壓氣機內部非定常流動及其控制結構的耦合問題、透平提高級負荷與非定常氣動性能問題、透平葉片冷卻及其流熱固耦合基礎問題,以及葉輪機械全三維設計理論及設計體系基本構架研究等科學問題展開。
  流體機械方面的研究在透平壓縮機、水輪機、泵類流體機械、風力機等方向取得較大進展,上述工作為西氣東輸、三峽工程、南水北調以及風力發電等國家重大工程和緊迫需要提供了技術支持。3. 傳熱傳質分學科

  在導熱研究方面,隨著超快速激光加熱技術以及MEMS/NEMS等微納科技的發展,導熱過程在時間尺度、空間尺度、環境溫度以及熱流密度等都在向極端狀況擴展。微納尺度下的導熱規律的研究是傳熱學發展的新的重要研究方向,它對微納熱電轉換裝置等高科技產品的研發具有重要的意義。
  對流傳熱的研究在保留了經典方向的深化和再認識拓展等內容之外,多趨向複雜和交叉領域。非線性問題,湍流直接模擬,微尺度、跨尺度問題是自然對流研究的主要方向。對流換熱過程強化和優化的研究熱點是換熱器和換熱網路中的場協同理論、節能型強化技術的開發,以及污垢形成機理以及新型抗垢技術。
  輻射傳熱目前的發展趨勢是研究內容的深化,以及趨向複雜和交叉領域,以符合航空航天、紅外探測、目標與環境的紅外特性、強激光及應用、功能材料製造以及生物醫學等現代高新技術發展對輻射傳熱的需求。4. 燃燒學分學科

  在基礎燃燒理論方面主要完善燃燒化學動力學機理,同時現階段研究也偏重於污染物形成機理的探索和複雜機理的簡化,另一方面越來越多地通過精確的燃燒過程的數值模擬來替代一般的實驗性研究。根據不同的研究對象和應用領域,燃燒學分別在燃料及生物質燃燒、垃圾廢棄物焚燒、火災燃燒、燃燒診斷,以及燃燒污染物控制等方面開展了大量研究。5. 多相流分學科

  多相流數理模型及數值模擬方法當前的研究重點仍在兩相流,三相流已在起步階段,將逐漸成為重點。近年來單相湍流流動中興起的細觀模擬方法, 主要是直接模擬和大渦模擬,也逐漸引入到兩相湍流研究。數值模擬方法在氣(汽)液/液液界面、氣固/液固多相流、氣液固三相離散流動、雙流體/多流體等方面的研究展現出新的思路和前景。此外在顆粒動力學,多相流中波的產生、傳播及其不穩定性理論、多相流與傳遞參數測試方法等方面也開展了廣泛研究,形成了有特色的研究成果。
  從總體上看,中國工程熱物理學科在熱力循環開拓、葉輪機械流動理論、熱聲理論、太陽能和風能開發利用等研究領域已經形成了較強的國際競爭力,而整體研究水平與世界先進水平還有較大差距,主要體現在技術開發落後於理論研究,實驗設備、測試手段落後,溫室氣體控制等能源、環境交叉領域基礎理論和關鍵技術研究薄弱。

4 工程熱物理 -中國工程熱物理學科前景展望

(一) 學科發展目標

  學科發展的中長期戰略目標:建立一支結構合理、精幹和穩定的基礎性研究隊伍,扶持與建設一批比較先進的工程熱物理與能源利用的研究基地,使中國工程熱物理學科基礎研究有更多的分支和領域接近或達到國際先進水平;孕育創新思想、積累科學儲備,為解決制約中國經濟發展的能源重大關鍵問題確定技術發展方向和奠定科學基礎,並為相關的能源高新技術和產業的發展提供科學源泉與支撐。
  學科發展的重點: 繼續加強工程熱物理學科基礎研究,注重能源-環境、能源-材料、能源-生物等學科交叉和領域滲透,使中國工程熱物理學科適應能源、環境問題的需求,爭取在若干有相對優勢的學科躋身於世界先進行列;解決化石能源發展和應用中的關鍵問題,發展與開拓科學的途徑與方法,使常規化石能源,特別是煤炭成為高效、潔凈、穩定、廉價的能源;為推動可再生能源發展及其關鍵技術開發,提供科學源泉和支撐,以不斷改善中國能源消費結構和加快能源結構多元化,建立可持續發展能源系統;加強能源轉換的物理化學生物學基礎研究,為煤炭潔凈利用、石油戰略儲備、規模化蓄能、生物質能開拓等奠定科學基礎。(二) 優先發展領域

1. 節能與科學用能

  節能的根本出路,在於科學用能。需要深入研究用能系統的合理配置和用能過程中物質與能量轉化的規律以及它們的應用,以提高能源利用率和減少污染,最終減少能源的消耗。它既包括從系統科學的角度研究生態工業園等能源和資源綜合利用和梯級利用的用能模式,也要分析用能的全過程,提煉共性的科技問題並加以解決,還要考慮用能的管理及法律、法規、政策等。科學用能需要以工程熱物理學科為支撐,同時涵蓋了現代科學技術的眾多學科和專業,也有自然科學與社會科學的交叉;科學用能領域不僅需要工程熱物理學科內和各能源學科間的交叉,同時也需要科學、技術和工程的融合。2. 煤的潔凈利用技術

  中國是世界上少數幾個以煤炭為主要能源的國家之一,由於燃煤導致的污染物排放居高難下,能源結構調整和煤炭潔凈利用問題在中國極為突出。因此應該積極推進潔凈煤技術的發展,包括整體煤氣化聯合循環、增壓或常壓流化床燃煤聯合循環、直接燃煤或外燃式聯合循環,以及內外燃煤一體化新型發電系統,還應該大力推進替代燃料-動力多聯產系統技術的研發與應用。通過潔凈煤技術的推廣,有效控制SO2和NOx與粉塵等燃煤污染物,爭取到2020年,中國能有效解決燃煤污染。3. 大力發展可再生能源

  中國太陽能、風能、生物質能資源豐富,具備大規模開發的有利條件。中國的太陽能熱水器的使用量和年產量均佔世界一半以上。建議在繼續推進太陽能多樣化發展的同時,加快發展大規模太陽能發電,本世紀中葉達到總裝機容量億千瓦的水平。風力發電潛力很大,是當今新能源發電中技術最成熟、最具有大規模開發條件和商業化前景的發電方式,建議近期重點解決大功率單機相關的技術問題。生物質能作為非商品能源已在廣泛使用,建議因地制宜發展生物質制沼氣技術,為農村能源提供重要保障。還需重點解決生物質發電與製作固體及液體燃料技術。此外,還應促進森林恢復和增長。通過工程熱物理學科的發展推動可再生能源的開發,應成為中國未來能源可持續發展的重要支柱。4. 溫室氣體控制戰略與CO2捕獲和封存

  為了應對複雜的溫室氣體控制問題,根據中國的能源問題與技術現狀,建議近期以開發節能增效技術與資源化利用技術作為控制溫室氣體排放的主要措施,中期以大力發展可再生能源等替代能源為重點,遠期以CO2捕獲和封存技術為主線。CO2捕獲和封存(CCS)技術的難點在於CO2回收能耗過高,這不僅導致能源利用效率下降,而且使CO2減排成本居高不下。因此,目前國際上的CCS技術尚不能滿足能源可持續發展的要求。建議尋求能夠同時解決能量利用與CO2減排的「革命性」技術,並發展適合中國國情的溫室氣體控制技術路線。

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