工程热物理前沿探讨
摘要：概述了工程热物理学科及其重要性。从工程热物理的学科体系出发分析它们的发展方向，综合各分支科学的内涵、发展趋势、发展目标，预测工程热物理可能的发展趋势。
关键词：工程热物理、发展方向
Prospect of Engineering Thermophysics Abstract: This article summarizes what is Engineering Thermal Physics and its importance . Form the discipline system of engineering thermal physical, we analyze their development .Combining the content, development tendency withdevelopment target of various scientific branches of engineering thermal physical ,we have predicted its possible development tendency.
Key word：Engineering Thermal Physics, development tendency
1.工程热物理学科概述
工程热物理学是一门研究能量以热的形式转化的规律及其应用的技术科学。它研究各类热现象、热过程的内在规律,并用以指导工程实践。按其应用又可包括:能源利用、热机、流体机械、多相流动等。工程热物理学有着自己的基本定律：热力学的第一定律和第二定律、Newton力学的定律、传热传质学的定律和化学动力学的定律。在这些定律和反映其本质的基本方程的基础上，需要根据研究对象的不同特点，在特别设计的实验装置上进行多种细致、可靠的试验，以发现其特有的规律和基本特征，为设计提供理论依据和计算方法，并在工程实践加以应用、验证、不断完善。由此可见，作为一门技术科学学科，工程热物理学的研究既包含知识创新的内容，也有许多技术创新的内容，是一个完整的学科体系。
热物理现象是普遍存在的自然趋向,对不同的技术领域成为必须予以考虑的主要或者耦合因素。动力机械的噪声污染; 制冷工质对大气臭氧层的破坏;以及各类燃料燃烧产生的一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、硫化物以及粉尘、微粒等有害排放物对大气的污染等等[1],高新技术的迅速发展,都和工程热物理的各分支学科有着密切的关联,高新技术的迅速发展, 使工程热物理与能源利用学科的各分支学科拓宽了各自的边界,深入到材料、化工、信息、生命、冶金、建筑、轻工等等科技领域, 并推动着其迅速发展。因此，工程热物理的不断开拓,是经 1
济和社会发展的客观需要。
2．工程热物理学科体系的研究方向
工程热物理学科内涵丰富，外延广阔，近年来更是和现代高新技术学科相互如何交叉，创造衍生出众多前沿热点领域与方向，学科间的界限越来越淡化和模糊，具体包括工程热力学、内流流体力学、传热传质学、燃烧学、多相流、可再生能源等分支学科。
2.1工程热力学的研究方向
从工程热力学本身的发展看，主要有四个特点：①学科交叉、综合已成为当代能源科学发展的一个基本趋势与特征，能源科学的各分支学科之间，能源科学与化学、物理学、生物学、数学、材料学、计算机科学等都在不断交叉。②随着经济与社会对能源科技的需求愈来愈高，能源科学研究被放到更大系统中来发展，能源与社会、经济与环境等领域的渗透与综合成为能源科学发展的另一个重要趋势。③能源科学是能源高技术创新的源泉和先导，两者紧密相连相互促进，当代能源技术的发展很大程度上引导着能源科学发展的趋势。工程热力学的重点研究方向如下：
2.1.1工程热力学基础
①新型热力循环。此研究方向应用新概念、新机理、新材料、新技术去探索发明新颖热力循环，为开拓新一代发动机和动力系统奠定理论基础。其发展前沿：燃煤联合循环（CFCC）、湿空气透平循环、新型核能联合循环、化学链燃烧反应动力系统（CLSAS）、直接发电热力循环相结合的多重联合循环[2]。②基础学科深化与交叉综合发展的热力学分支。包括非平衡、不可逆过程热力学、有限时间热力学、热力学微观理论、热力学优化理论、能源利用仿生学、生物热力学等。③制冷与低温工程基础。其研究重点：新型制冷循环与系统、制冷剂的热力学性质、CFC替代物、热化天然气冷能的利用。④中低温能源利用和储能基础研究。其前沿课题：可逆型供热系统、热泵与热品位转化你远离、中低温余热回收利用、化工余压、余热回收、绿色建筑能源系统。⑤热力系统动态学。它是工程热物理和自动控制、优化理论与方法等学科相互渗透而发展起来的。其前沿包括：动态、实时理论建模、状态监测与故障诊断、智能仿真。
2.1.2可再生能源与新能源利用
可再生能源将成为未来可持续发展能源系统的主体，包括太阳能、生物质能、海洋能、地热能、风能、水能及氢能等。①太阳能光热转换。太阳能集热、储热与热动力循环、太阳能制冷与泵热、光电化学、光敏及光分解作用。②生物质能。微生物电池；高效低污染生物质发电；固体生物质气化、液化；生物质废弃物综合治理与利用、生物质能多联产总能系统。③氢能。氢能将是未来最主要的优质 2
清洁能源载体之一。其前沿课题：氢的规模经济制备，包括高分子电解水制氢、太阳能热化学制氢、生物制氢和等离子体分解制氢；氢的储运；高效洁净氢能转换利用系统，包括氢燃料电池、氢内燃机和氢氧联合循环[3]。
2.1.3能源转换的物理化学与生物学
本课题研究各种能源转换过程中的物理、化学或生物学的现象和规律，为开拓新能源、储能、发电技术等技术提供科学支持。其前沿课题：①新型发电方式与原理基础。电化学反应直接发电，如燃料电池（MCFC/PEMFC/SOFC）;热与热离子直接发电，如磁流体发电；生物质发电，如生物燃料电池和微生物发电。②新型储能机理。物理储能（水位势、空气压缩），化学储能（相变、浓度差）、储能材料。高容量蓄能电池与电容器。③新型能量释放机理。无火焰燃烧，部分氧化，高温空气燃烧。
2.1.4能源环境基础理论
本方向研究能源转换利用过程中对生态环境的影响及防治对策的理论。其前沿课题如下：①燃煤生态工程。燃烧产生的CO2回收和利用，脱硫灰渣对沙漠改
造和盐碱土壤改良的理论。②能源转换利用系统环境污染与温室效应问题控制。③低污染、无公害排放的能源动力系统。
综上所述，工程热力学学科的发展方向是：构建高效洁净的能源动力系统；大力开拓与利用新能源和可再生能源；提高中低品位能源转换利用水平；实施能源、资源与环境一体化理论与技术。
2.2燃烧学的研究发展方向
燃烧学是一门正在发展中的学科，能源、交通、航天航空、环境工程和火灾防治等方面都提出了许多有待解决的问题，诸如高强度燃烧、低品位燃料燃烧、流化床燃烧、燃烧污染物排放和控制、或在起因及防止、燃料合成制备、燃烧先进诊断技术等。进一步发展将与湍流理论、多相流体力学等学科相互渗透。同时随着计算机技术和计算方法的发展，燃烧过程数值模拟将向多参数耦合和直接数值模拟方向发展。
2.2.1基础燃烧理论
其研究重点问题是：①化石能源以及常规碳氢化合物燃料在燃烧过程中的污染物生成机理，包括颗粒物、NOX等。②用做替代燃料和添加剂的各类新型燃料
如生物质燃料的燃烧化学动力学[4]。③有助于提高燃烧效率和降低燃烧污染物的辅助燃烧技术，如催化辅助燃烧、等离子体辅助燃烧。
2.2.2燃烧数值模拟
建立描述湍流的多相流燃烧过程的物理模型，是现在燃烧数值模拟领域的重点研究方向。自适应化学理论AdapChem的提出和发展较为详细反应机理在反应 3
流数值模拟中的应用提供了可能，但其在复杂的湍流反应流中的应用有待于进一步完善；格子Boltzmann方法在多孔介质燃烧、微尺度燃烧等非常规燃烧方式的应用方面前景良好；而商用的CFD软件今年来发展迅速，但是只有耦合了具体的燃烧过程子模型下其模拟结果才可靠。
2.2.3燃烧污染物控制
对NOX和SOX的控制，国外已有相当成熟的技术，国内目前仍很难普及应用。 研究其生成机理适合中国国情的控制技术仍是目前的一个重点。根据火电厂污染物排放最新标准，我国现有电厂的污染物排放都严重超标，近期应继续研究炉内添加剂、流化床燃烧脱硫技术及烟气脱硫技术，同时研究各种低污染燃烧设备，要求在不降低或少降低机组热效率的前提下，能控制NOX和SOX的排放，达到国家最新排放标准。
2.2.4燃烧诊断
燃烧诊断的重点研究方向：①在层流火焰的氮氧化物、烟熏等污染物生成方面，开拓具有特色的基于激光检测、光谱检测的燃烧诊断。②继续发展基于辐射图像处理和火焰光谱分析的燃烧诊断技术，燃料工业燃烧过程检测控制要求。③发动机燃烧诊断检测的新手段。④火灾检测的新手段。
2.3传热传质学的研究发展方向
传热传质学在新型和边缘工业与应用领域都有涉及，其基本发展趋势可概括为：纳米尺度下的传热、超温环境与极端条件下的传热、微宏观结合与跨尺度关联和学科的交叉融合等。
2.3.1微纳米尺度下的传热
微纳尺度传热是伴随微纳米技术兴起而发展起来的一支设计多学科交叉的新兴学科，在许多为那热流器件中（如为电子芯片、微扰动泵、生物芯片、微型芯片燃料电池等）都有广泛的应用微纳尺度传热受尺度影响而具有自身特点和规律，近年来学者运用实验和数值模拟的方法对这一领域进行了探索，但仍需要进一步深入研究。
2.3.2超常环境与极端参数
近年来能源和高新技术的快速发展，使得超常环境和极端参数下的传热传质应用广泛。它主要包括以下领域：①高热流电子器件冷却：研究有限空间内的超高热流传输排放技术应是传热传质学的重点研究方向，将多种高效强化传热技术尤其是微加工、流体相变及射流冲击冷却技术相结合，同时如何减小或消除接触热电阻是目前传质传热学解决超高热流密度电子设备冷却的研究发展趋势。②高温高压和高热流传热技术：为了提高能源利用水平，必须不断强化炉内各传热表面与燃气烟气之间的换热。核反应堆中则要强化燃料体元件和载热剂之间的换 4
热。对于太阳能发电，如何强化吸收器的传热，使其能够将高的太阳辐射能传给传热流体，传热流体又如何将高热流密度传给能量转换装置是传热传质学面临的重大挑战。采用多孔介质、熔融盐传热、液膜直接接收辐射和气固两相流传热是太阳能高温高热流吸热器的研究发展方向。③低温传热传质：在低温环境下的隔热保温系统是传热传质学的重大挑战，同时低温流体的传热传质机理和规律也是许多与常温流体不同的地方。因此低温隔热技术、低温流体的对流传热以及辐射传热机理，尤其是氦的传热传质机理等，都是低温传热的重点研究方向。④微重力传热的研究：微重力环境能抑制自然对流效应，因此微重力环境下的对流传热规律与地面上所不同。微重力两相传热研究是当前微重力流体物理和传热学研究的一个前沿和热点。其主要集中在两个方面：一方面是针对微重力下气泡动力学研究，另一方面集中在如何强化微重力沸腾换热的研究。
2.3.3复杂系统和多场耦合
复杂系统与多场耦合传热传质问题涉及到多个不同的研究领域，过程中包括了力、电、磁、热、光、和流场等多个物理场的相互作用。主要领域有：快速和急速导热过程中的非傅里叶现象和考虑导热与热应力相耦合的热导规律以及导热过程中的热滞后现象；复杂结构和可变性固体结构中的接触热阻、界面热阻及动态接触热阻；在微纳尺度下，传热传质过程呈现多驱动力、多因素耦合，表面粗糙度、固体表面亲水性、表面几何形状、固体表面静电场、尺度效应等的影响已经成俄日研究热点；燃料电池中的传热传质过程涉及到电渗、粒子扩散、电化学反应和热应力等方面；多孔介质中的传热传质，是一类发生在复杂系统中，同时受到多个物理场和多种驱动力耦合作用的传热传质过程，其目前的研究趋势是由单场驱动向多场驱动、由饱和向非饱和、由单一的宏观水平研究到微观水平和空隙尺度的研究[5]。
2.3.4传热传质问题的数值计算
近年来计算传热学的发展趋势是：①数值模拟范围大幅度托看。介观和微观层次的模拟方法发展迅速，包括格子波尔兹曼、MC、MD[6]。②有限容积方法仍处于主导地位。③区域离散方法发展迅速④商业软件的应用日益普及。
2.4多相流分支科学的研究方向
多相流是一门从传统能源转化与利用领域逐渐发展起来的新兴交叉学科。多相流数理模型及数值模拟方法当前的研究重点仍在两相流，三相流已在起步阶段，将逐渐成为重点。近年来单相湍流流动中兴起的细观模拟方法, 主要是直接模拟和大涡模拟，也逐渐引入到两相湍流研究。数值模拟方法在气（汽）液、液液界面气固；液固多相流；气液固三相离散流动；双流体、多流体等方面的研究展现出新的思路和前景。此外在颗粒动力学，多相流中波的产生、传播及其不稳 5
《动力工程和工程热物理前沿》课程论文
定性理论、多相流与传递参数测试方法等方面也开展了广泛研究，形成了有特色的研究成果。 它的重点研究方向有以下几点：①多相流非线性动力学与热质传递的基本现象、共性规律及其应用研究；②能源高效和可再生转化地微多相流光化学预热化学反应理论；③离散气固两相流理论和实验研究；④多相流及传递问题的实验与测试技术；⑤多相流与其他科学的相互渗透及交叉。
3.工程热物理学科发展趋势
近年来，中国工程热物理学科在面向国际学科前沿和注重原始创新的同时，继续结合国家重大需求，不断取得突破。从研究内容上分析，工程热物理前言的发展趋势为：1)从单一分支的研究向综合研究发展。本学科包括热流体力学、工程热力学、燃烧学、传热传质学。从前搞燃烧的就很少去研究燃烧过程中的传热和流动, 现在随着研究的深入,在研究燃烧过程的同时,还须研究传热、流动的综合过程,使研究工作提高到新高度。2)从单一学科向交叉学科发展。该学科的方法理论应用到相邻学科,同时,和相邻学科紧密交叉,两方面的专家共同合作,揭示其过程的本质,大大拓宽了本学科的内涵,也促进本学科和其他科的发展。新兴物理、数学等基础科学的概念、理论引入本学科,例如:群集论、有限元、分数维理论、边界元、混沌理论、模糊数学[7]等,使原来难解的问题,有了新的理论结果。
3)开拓形成本学科的高深层次课题。多维、瞬时、随机、多相、不稳定、不定常等情况下的真实热物理问题。极端参数下的热物理问题, 像高速和超声速的气动热力学,低温及接近绝对零度区域的传热, 200MPa下高速和超高速的传热和多相流,超高温下的热物理问题等[7]。从宏观向微观发展,比如微尺度和分子传输问题。从以上对工程热物理的各分支科学的分析，我们得到工程热物理未来将在以下方面重点发展并有可能取得重大成就：
3.1研发低碳能源技术与动力系统，推动工程热物理进展的传统领域
近期以开发节能增效技术与资源化利用技术作为控制温室气体排放的主要措施，中期以大力发展可再生能源等替代能源为重点，远期以CO2捕获和封存（CCS）技术为主线。CO2捕获和封存技术的难点在于CO2回收能耗过高， 这不仅导致能源利用效率下降，且使CO2减排成本居高不下。国际上的CCS 技术尚不能满足能源可持续发展的要求，需要寻求能够同时解决能量利用与CO2减排的“革命性”技术，并发展适合我国国情的温室气体控制技术路线。开辟构建高效、洁净的新型煤炭利用技术能源动力系统是工程热力学与能源利用学科的重要发展方向，其中化工-动力多联产系统以及分布式供能系统能够大幅度改善能源系统的节能与环保性能，具有非常好的发展前景，是学科发展的热点。化工动力多联产系统是通过系统集成把化工生产过程和动力系统有机耦合在一起，在完成发电、供热等能量转换利用功能的同时，生产替代燃料或化工产品，从而同时满足 6
能源、化工以及环境等多功能、多目标综合的能源利用。分布式供能系统与当前集中供能系统互补是未来能源系统的发展方向。分布式供能技术发展的战略目标是在能源综合梯级利用原理指导下，掌握多能源互补、考虑系统全工况性能的分布式供能系统集成方法，突破燃料化学能释放、循环耦合、全工况集成等理论方法，进一步通过攻关，建立一批分布式供能示范工程，研发一批适合分布式供能技术的核心动力设备，解决燃气轮机设备研制中的关键技术，掌握具有自主知识产权的燃气轮机技术。
3.2能源可再生转化利用的理论研究
①燃料电池多尺度复杂结构中多相多组份热质传输与电化学反应耦合的基本问题。燃料电池内与电化学反应耦合的复杂传输过程的数学模拟还不完善，需要多方面的共同努力，这不仅依赖于多孔介质内多相传输理论的突破，还依赖于对燃料电池内部微观结构和传输过程等相关信息的掌握程度[8]。②高效低成本规模化的储氢理论与技术。氢气的储存和运输是氢能发展的“瓶颈”，研究高效低成本规模化的储氢理论与技术，全面实现以氢为能源载体、储氢材料为载能材料、燃料电池和微型燃气轮机为用氢装置的制氢、储氢、用氢一体化技术突破，将为能源可持续发展开辟全新的道路；③太阳能规模制氢与燃料电池耦合系统及其内部多相多物理及化学过程的理论及关键技术。根据太阳能光催化和生物质热化学规模制氢技术以及质子交换膜和固体氧化物燃料电池各自的特点，对其进行耦合，并针对耦合系统内部的复杂多相多物理过程理论及关键技术开展深入研究，以最终实现高效、洁净、便捷利用太阳能的目标。
3.3大力发展风能等可再生能源
众所周知,可再生能源有水能、风能、太阳能、生物质能、潮汐能、地热能六大形式。其中,风能源于太阳辐射使地球表面受热不均、导致大气层中压力分布不均而使空气沿水平方向运动所获得的动能。风力发电是当今新能源发电中技术最成熟、最具有大规模开发条件和商业化前景的发电方式。风电的科学发展，必须紧紧围绕科技创新，通过基础研究与工程实际相结合，国外技术与中国实际相结合，努力实现产、学、研三者的成功对接，从而不断提高我国的设计水平和研发实力，培养出自己的既掌握风电理论又具有风电工程设计实践经验的复合型人才，才能使我国风电研究得到健康发展[9]。
3.4微细尺度化是高技术发展中物理研究面对的新兴前沿热点
纳米加工、微米技术的兴起,促进了微细结构的迅猛开发。这种微细化尺寸的空间,气体将产生“稀薄性”效应,就是说介质连续性假设有待修正。超级抛光材料表面的空穴或粗糙度尺寸已可以小于500nm,但还不能单纯使用分子运动论, 不能与微观层面相混淆,微米级仍处于由宏观向微观过渡的“细观”层面, 仍须 7
考虑分子群体的相互作用,包括边壁的相际界面效应和表面力, 毕竟有别与熟悉的由宏观法则所预计的,产生一些“超常性”。空间尺寸微细化后, 重力对流体的影响削弱、直到消失, 趋向于航天失重情况下因零重力、微重力引起流体浮升力的消失,液、气相变也将由重力主空型向表面张力主控型,使蒸气泡形成、跃离、运动的动力动力学机制为之改善,壁面粗糙度对流体流动的影响增大,并且在非常薄的贴壁层内流体的行为也将受到壁面固体分子的扰动作用,使流体的导热系数和粘性发生变异。
3.5研究能源、资源与环境一体化理论与技术
能源的可持续发展是工程热力学与能源利用学科发展的目标。实施可持续能源发展战略，就是要在能源、资源与环境一体化原则指导下，建立稳定、经济、清洁、可靠、安全的能源保障体系，协调好资源、环境和经济发展的关系。摒弃传统的“链式串联”模式，走出一条资源、能源与环境相容的发展新模式。新的发展模式的关键在于开拓可持续能源新渠道和实施能源多元化战略，尝试解决 能源利用与环境相容协调的难题，包括温室气体控制、能源资源综合利用等发展方向。能源资源综合互补需要研究不同品质能源、资源的互补利用新方法，揭示多种能源、资源互补利用过程不可逆损失减小的科学本质，提出互补利用过程中燃料化学能转化与释放的热力学分析方法；分析互补利用过程，能源、资源综合梯级利用的特殊规律，以及开拓能源、资源互补的新型能源动力系统。特别值得注意的是，工程热物理研究已不只是停留在宏观问题的层面，也在向微观领域进发。如今，各种微动力装置和热设备应运而生，微、纳尺度下特有的种种现象提出了一系列有趣的研究课题，这将是工程热物理学科发展的一个崭新的方向，也是其今后蓬勃发展的一个重要方面。
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