工程热物理学科发展研究报告

工程热物理学科发展研究报告

一、工程热物理学科发展概述

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。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。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。

工程热物理学科是能源利用领域的主要基础学科，工程热物理学科的发展推动了能源科技的进步。从人类利用能源和动力发展的历史看，古代人类几乎完全依靠可再生能源，人工或简单机械已经能够适应农耕社会的需要。近代以来，蒸汽机的发明唤起了第一次工业革命，而能源基础，则是以煤为主的化石能源，从小规模的发电技术，到大电网，支撑了大工业生产相应的大规模能源使用。石油、天然气在内燃机、柴油机中的广泛使用，奠定了现代交通基础，燃气轮机的技术进步使飞机突破声障，这些进一步适应了高度集中生产的需要。但是化石能源过度使用，造成严重环境污染，而且化石能源资源终将枯竭，严重地威胁着人类的生存和发展，要求人类必须再一次主要地使用可再生能源。这预示着人类必将再次步入可再生能源时代——一个与过去完全不同的、建立在当代高新技术基础上创新发展起来的崭新可再生能源时代。面对这个时代的召唤，工程热物理学科的发展既要适应可再生能源分散的特点，又要能为大工业发展提供能源，需要构建分布与集中供能有机结合的新型能源系统。在这个过程中，工程热物理学科面临新的机遇与挑战。工程热物理学科的发展和能源科学技术进步对人类社会将产生重大影响，将会出现许多伟大的变革，包括能源科技的重大发展。一些新的能源利用方式，如新型动力机械、新型发电技术、涌现的新能源等。

能源问题是社会与经济发展的一个长期制约因素，关系全局的主要能源问题有：能源需求增长迅速，供需矛盾尖锐；能源结构不合理，优质能源短缺；效率低下，浪费惊人；环境影响更加严重，减排治污、保护生态刻不容缓；能源安全问题突出，全球战略势在必行等。综上所述，我国面临能源和环境双重巨大压力，是经济和社会发展的长期瓶颈，是始终必须高度重视的重大问题。能源发展、保护环境、节能减排对我国至关重要，是确保清洁、经济、充足、安全能源供应的根本出路。大量研究和历史经验表明，解决能源与环境问题的根本途径是依靠科学技术进步，因此工程热物理等相关学科将承担起我国国民经济发展的能源与环境的重大需求，努力推进节能和科学用能已成为学科的指导思想和核心，而抓紧化石燃料的洁净技术、大力开发可再生能源和新能源技术则是工程热物理学科的发展战略重点。

二、近年我国工程热物理学科的进展

（一）学科方向与进展

工程热物理是一个体系完整的应用基础学科，就其主要研究领域应属技术学科，每一个分支学科都有坚实的理论基础和应用背景。工程热力学与能源利用分学科的基石是热力学第一、第二定律，目的是为从基本原理上考虑能源利用和环境问题提供理论与方法，其它分支学科在热力学定律基础上，拥有各具特色的理论和应用基础。热机气动热力学与流体机械分学科的理论基础是牛顿力学定律，传热传质分学科的理论基础是传热、传质定律，燃烧学分学科的理论基础是化学反应动力学理论等等。

1. 工程热力学与能源利用分学科

热力学基础研究方面，在统计热力学及分子模拟领域有两方面进展，一是分形理论等新的分析手段的引进，取得了好的效果；另一方面，统计热力学及分子模拟研究开始向实用化迈进。为满足国家节能减排的重大需求，各种余热驱动、低温余热利用以及大温差的制冷循环研究不断深入，吸收、吸附式制冷循环，复叠式制冷循环以及水基有机混合物相变蓄冷等新型蓄能技术被广泛研究。热声理论得到快速发展的同时，热声制冷和热声发电技术在实验、应用

方面的研究进展很快。

能的综合梯级利用理论不断完善和发展。分布式能源系统作为能的梯级利用技术的典型代表，在基本原理、关键技术和系统集成等全方位开展研究，为该技术产业化示范奠定了基础。化学能与物理能综合梯级利用原理的提出拓展了能的梯级利用原理，提出了化石燃料与太阳能互补的间接燃烧能量释放新机理，拓展了一系列化学能与物理能综合梯级利用系统集成的创新。

可再生能源与温室气体控制是能源与环境领域研究的重要主题。我国近年来经历了对各种太阳能热发电形式的关键技术研究，并启动了国家太阳能热发电技术专项研究。太阳能光催化分解水制氢研究在催化剂、制氢设备和制氢系统等方面取得实验室进展。太阳能燃料转换技术的研究有望实现实用化的太阳能燃料开发。在生物质发电、生物质制氢和液体燃料等方面也取得一定进展。我国学者首次提出了能源转换利用与CO2分离一体化原理，实现低能耗甚至无能耗分离CO2，研究制定了适合我国国情的温室气体控制技术路线。

2. 热机气动热力学与流体机械分学科

国际上现已采用三维粘性计算流体动力学设计航空发动机诸部件，尤其是叶轮机械设计。叶轮机械设计系统由二维、准三维、定常设计到全三维、粘性、非定常设计的过渡是学科发展的趋势。在航空发动机设计方面，上述趋势也充分体现在对风扇／压气机、对转涡沦技术和旋转冲压发动机技术的研究中。

从热机气动热力学角度看，未来燃气轮机的科学技术发展需要进一步研究高性能叶轮机械内部非定常复杂流场结构和机理、与气动热力学紧密相关的燃气透平叶片冷却技术及其流热固耦合机理与优化设计方法。相关工作围绕着压气机内部非定常流动及其控制结构的耦合问题、透平提高级负荷与非定常气动性能问题、透平叶片冷却及其流热固耦合基础问题，以及叶轮机械全三维设计理论及设计体系基本构架研究等科学问题展开。

流体机械方面的研究在透平压缩机、水轮机、泵类流体机械、风力机等方向取得较大进展，上述工作为西气东输、三峡工程、南水北调以及风力发电等国家重大工程和紧迫需要提供了技术支持。

3. 传热传质分学科

在导热研究方面，随着超快速激光加热技术以及MEMS/NEMS等微纳科技的发展，导热过程在时间尺度、空间尺度、环境温度以及热流密度等都在向极端状况扩展。微纳尺度下的导热规律的研究是传热学发展的新的重要研究方向，它对微纳热电转换装置等高科技产品的研发具有重要的意义。

对流传热的研究在保留了经典方向的深化和再认识拓展等内容之外，多趋向复杂和交叉领域。非线性问题，湍流直接模拟，微尺度、跨尺度问题是自然对流研究的主要方向。对流换热过程强化和优化的研究热点是换热器和换热网络中的场协同理论、节能型强化技术的开发，以及污垢形成机理以及新型抗垢技术。

辐射传热目前的发展趋势是研究内容的深化，以及趋向复杂和交叉领域，以符合航空航天、红外探测、目标与环境的红外特性、强激光及应用、功能材料制造以及生物医学等现代高新技术发展对辐射传热的需求。

4. 燃烧学分学科

在基础燃烧理论方面主要完善燃烧化学动力学机理，同时现阶段研究也偏重于污染物形成机理的探索和复杂机理的简化，另一方面越来越多地通过精确的燃烧过程的数值模拟来替代一般的实验性研究。根据不同的研究对象和应用领域，燃烧学分别在燃料及生物质燃烧、垃圾废弃物焚烧、火灾燃烧、燃烧诊断，以及燃烧污染物控制等方面开展了大量研究。

5. 多相流分学科

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。

从总体上看，我国工程热物理学科在热力循环开拓、叶轮机械流动理论、热声理论、太阳能和风能开发利用等研究领域已经形成了较强的国际竞争力，而整体研究水平与世界先进水平还有较大差距，主要体现在技术开发落后于理论研究，实验设备、测试手段落后，温室气体控制等能源、环境交叉领域基础理论和关键技术研究薄弱。

三、我国工程热物理学科前景展望

（一）学科发展目标

学科发展的中长期战略目标：建立一支结构合理、精干和稳定的基础性研究队伍，扶持与建设一批比较先进的工程热物理与能源利用的研究基地，使我国工程热物理学科基础研究有更多的分支和领域接近或达到国际先进水平；孕育创新思想、积累科学储备，为解决制约我国经济发展的能源重大关键问题确定技术发展方向和奠定科学基础，并为相关的能源高新技术和产业的发展提供科学源泉与支撑。

学科发展的重点：继续加强工程热物理学科基础研究，注重能源－环境、能源－材料、能源－生物等学科交叉和领域渗透，使我国工程热物理学科适应能源、环境问题的需求，争取在若干有相对优势的学科跻身于世界先进行列； 解决化石能源发展和应用中的关键问题，发展与开拓科学的途径与方法，使常规化石能源，特别是煤炭成为高效、洁净、稳定、廉价的能源； 为推动可再生能源发展及其关键技术开发，提供科学源泉和支撑，以不断改善我国能源消费结构和加快能源结构多元化，建立可持续发展能源系统； 加强能源转换的物理化学生物学基础研究，为煤炭洁净利用、石油战略储备、规模化蓄能、生物质能开拓等奠定科学基础。

（二）优先发展领域

1. 节能与科学用能

节能的根本出路，在于科学用能。需要深入研究用能系统的合理配置和用能过程中物质与能量转化的规律以及它们的应用，以提高能源利用率和减少污染，最终减少能源的消耗。它既包括从系统科学的角度研究生态工业园等能源和资源综合利用和梯级利用的用能模式，也要分析用能的全过程，提炼共性的科技问题并加以解决，还要考虑用能的管理及法律、法规、政策等。科学用能需要以工程热物理学科为支撑，同时涵盖了现代科学技术的众多学科和专业，也有自然科学与社会科学的交叉；科学用能领域不仅需要工程热物理学科内和各能源学科间的交叉，同时也需要科学、技术和工程的融合。

2. 煤的洁净利用技术

我国是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家之一，由于燃煤导致的污染物排放居高难下，能源结构调整和煤炭洁净利用问题在中国极为突出。因此应该积极推进洁净煤技术的发展，包括整体煤气化联合循环、增压或常压流化床燃煤联合循环、直接燃煤或外燃式联合循环，以及内外燃煤一体化新型发电系统，还应该大力推进替代燃料－动力多联产系统技术的研发与应用。通过洁净煤技术的推广，有效控制SO2和NOx与粉尘等燃煤污染物，争取到2020年，我国能有效解决燃煤污染。

3. 大力发展可再生能源

中国太阳能、风能、生物质能资源丰富，具备大规模开发的有利条件。我国的太阳能热水器的使用量和年产量均占世界一半以上。建议在继续推进太阳能多样化发展的同时，加快发展大规模太阳能发电，本世纪中叶达到总装机容量亿千瓦的水平。风力发电潜力很大，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，建议近期重点解决大功率单机相关的技术问题。生物质能作为非商品能源已在广泛使用，建议因地制宜发展生物质制沼气技术，为农村能源提供重要保障。还需重点解决生物质发电与制作固体及液体燃料技术。此外，还应促进森林恢复和增长。通过工程热物理学科的发展推动可再生能源的开发，应成为我国未来能源可持续发展的重要支柱。

4. 温室气体控制战略与CO2捕获和封存

为了应对复杂的温室气体控制问题，根据我国的能源问题与技术现状，建议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捕获和封存技术为主线。CO2捕获和封存（CCS）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，而且使CO2减排成本居高不下。因此，目前国际上的CCS技术尚不能满足能源可持续发展的要求。建议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。