庆祝清华大学能源与动力工程系建系90周年专刊

　　2022年，为迎接清华大学能源与动力工程系建系90周年，《清华大学学报(自然科学版)》组织出版本专刊，专刊精选9篇综述和6篇论文，有代表性地报道展示清华大学能源与动力工程系在基础科学和关键核心技术领域取得的最新重要研究进展。当前，能源与动力工程系正把握国家能源结构转型和能源动力技术的重大机遇，瞄准“碳达峰碳中和”战略目标，向世界一流学科前列稳步前进。

　　详细内容请阅读《清华大学学报（自然科学版）》2022年第4期“清华大学能源与动力工程系建系90周年专刊”， 识别下文二维码或点击即可浏览全文。

　　碳捕集、利用与封存技术(carbon capture，utilization and storage，CCUS)是指将CO2从能源利用、工业生产或大气中分离出来，经过提纯运送到可利用或封存场地，以实现被捕集的CO2与大气长期分离的技术。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)近期在报告中指出：CCUS技术是碳减排与碳中和的“foundation”技术。在我国碳达峰碳中和的“双碳”目标大背景下，CCUS技术被认为是我国实现碳中和目标不可或缺的关键性技术之一。该文对国际、国内主要研究团队和作者研究团队近年来在CO2地质封存、增产致密油/页岩气/深层地热开采过程中的关键热质传递问题研究进行了综述，通过理论分析，利用分子动力学、格子Boltzmann、计算流体力学等模拟方法，和微观孔隙尺度可视化实验、岩心尺度核磁共振实验、超临界压力流体对流换热实验等实验手段，从不同尺度阐述了储层条件下超临界CO2在微纳多孔结构中多相多组分流动与热质传递机理，分析了矿物反应、降压析出、流体变物性、尺度效应等对CO2地质封存和驱油、驱气、采热过程中的影响规律，从而为CO2地质封存和利用的应用提供理论和技术支撑。

　　氢能是来源丰富、绿色低碳和应用广泛的二次能源，正逐步成为未来能源绿色转型发展的重要载体之一，是现有能源形式的有益补充，也是未来能源体系的重要组成部分。该文介绍了清华大学能源与动力工程系在制氢领域取得的基础研究和应用开发的系列成果。在碳氢燃料重整领域，合成了烧绿石负载型重整通用催化剂，开发了全系列重整制氢样机; 在中温氢气净化领域，提出了中温净化新途径并合成了覆盖全温区的氮基活性炭疏水吸附剂及水滑石基吸附剂，完成了中温变压吸附H2/CO2分离技术示范; 在可再生能源电解领域，依托固体氧化物电解池实现了二氧化碳与水共电解制取燃料、升高反应温度以降低水理论分解电压，从而缩减了碱水电解能耗。发展制氢技术是氢能燃料电池产业的首要技术环节，有助于推进未来能源利用方式变革，是构建低碳、安全和高效现代能源体系的重要举措。

　　氢、氨、电子燃料、生物燃料等零碳及低碳燃料的清洁燃烧是实现碳中和目标的客观选择; 而合成航煤、稠环烃类、多元混合燃料的高效燃烧与先进空天动力的发展息息相关。这些新型燃料的燃烧反应动力学是深入理解其燃烧过程、发展新的燃烧组织模式及燃烧器的基础。当前，建立新型燃料的可预测性动力学模型依然存在诸多挑战：一方面迫切需要宽范围条件尤其是极端条件及多物理场条件下的准确的实验数据; 另一方面需要高效的燃烧反应动力学模型分析和优化方法。该文综述了近年来本研究团队发展的燃烧反应动力学基础实验方法和模型分析及优化方法，包括更为详细的燃烧组分信息的获取、更低温度下燃料点火数据的测量、等离子辅助燃烧的组分诊断等实验方法，以及燃烧动力学模型的降维、灵敏性及不确定性分析、实验设计、模型优化和简化方法等。

　　流体机械是量大面广的设备，每年作为发电设备为我国生产的绿色洁净能源超过社会用电总量的16%，同时作为动力设备消耗近三成社会用电总量，因而需要发展先进、高效的流体机械技术，通过增强水电与抽水蓄能机组的宽域稳定运行能力来促进风电、光伏等间歇性可再生能源快速增长，通过设计优化与智能调控来提升流体机械系统的节能水平，有效支撑我国顺利实现“双碳”战略目标。该文针对我国社会发展中与流体机械相关的重大需求，从生态友好的高效水力发电技术，安全与稳定的抽水蓄能技术，绿色环保的泵、风机与风力机技术，以及流体机械设计优化与智慧化运行技术等方面论述了流体机械及工程学科的技术发展方向及面临的挑战，总结了流体机械目前的热点研究及其进展，为未来流体机械关键技术研发提供参考。

　　有机Rankine循环(organic Rankine cycle,ORC)是目前实现200℃以下中低温热能高效热功转换的主流技术之一。非共沸工质可有效减少换热损,实现组元性能的优势互补，扩大工质遴选范围，正在成为ORC领域研究应用的新趋势。该文总结了作者团队在非共沸ORC系统优化设计、性能分析等方面的研究进展，并在常规非共沸工质ORC的基础上引入了双压蒸发循环以改善蒸发过程的温度匹配，显著减少换热损; 引入分液冷凝方法提升了非共沸工质的冷凝换热性能，大幅降低系统成本。总体而言，非共沸工质可显著提升ORC系统的热力性能，分液冷凝方法又可有效解决其所需换热面积大、热经济性能差的缺陷; 因此，非共沸工质在ORC系统中具有广阔的应用前景。

　　针对气固反应的跨尺度计算这一学科前沿方向，该文从介观晶粒层次提出基于第一性原理的速率方程理论，解决原有理论中无法实现尺度关联和反应/扩散相互耦合的难题，构建“原子晶粒颗粒”跨尺度的气固反应动力学理论模型，揭示了固体产物在表面的离散岛状生长机制，设计了高效可靠的计算和分析方法，并应用于低能耗CO2捕集中化学链燃烧的跨尺度氧化/还原反应动力学、新型热化学储热中的表界面反应现象及机理、污染物脱除技术的跨尺度计算、煤焦燃烧的数值模拟、双流化床反应器的设计与优化等技术领域。

　　稠油是未来重要接替能源之一，具有黏度高、储量大、开采难度高的特点。稠油注空气开发技术是我国稠油开发的重大战略接替技术 具有原位生热、高采收与绿色低碳的显著优势，但是，其地下的物理化学过程极其复杂 而相应的基础研究工作仍较薄弱。自“十二五”以来 本课题组逐渐在“稠油中低温氧化放热特征与影响因素”“稠油高温氧化燃料(焦炭)的形成和物理化学性质”“稠油氧化的拟组分反应动力学模型”“高温氧化前缘的多物理化学场耦合机制”“井组尺度下油藏中热流化的耦合和传递规律”等研究方向开展了稠油注空气开发技术的基础科学问题研究和工程应用探索。建立了测量稠油氧化放热规律、产物性质与渗流参数的实验装置和方法 构建了多尺度的稠油氧化“热流化”耦合过程的数值模拟方法，这些研究成果有效推动了我国稠油注空气开发技术在基础研究和工程应用上的进步。

　　利用脱硫石膏改良盐碱土 既开辟了脱硫石膏资源化利用的新途径 又为盐碱土改良提供了新方法。该文回顾了利用脱硫石膏改良盐碱土技术的起源及20多年发展历程,系统总结了脱硫石膏改良盐碱土基础理论、关键技术、短期和长期效应、环境安全性及产业化应用实践 针对目前国内外相关研究存在的问题和大面积应用过程中面临的难题 展望了该项技术研究。为了更好地利用脱硫石膏对我国大面积盐碱土进行高效安全治理,建议降低单位土地面积脱硫石膏施用量、增加长期定位试验点位和制定脱硫石膏农业应用的国家标准。

　　离心式血泵作为最新一代人工心脏 为心血管疾病患者提供了有效的生命支持系统 挽救了数以百万计的心脏病患者的生命。该文对清华大学能源与动力工程系(简称能动系)团队在人工心脏领域的研发进展进行了详细介绍 包括：提出了以最大标量剪切应力(maximum scalar shear stress,MSSS)代替标准溶血指数作为优化指标的优化方法 减少了计算量 提升了优化效率; 提出了基于湍流黏性耗散应力(turbulent viscous shear stress,TVSS)的血细胞损伤模型，以便更为准确地预测血细胞的损伤等。在人工心脏样机方面 顺利完成了体外式轴承和植入式磁液混合悬浮两种样机的研制 并获得了相应水力性能数据，实验数据与计算结果吻合较好 误差为3.6%。为了进一步推进样机研发 本研究团队搭建了医用流体机械综合测试平台 可用于测试人工心脏的生理性能。上述研究成果体现了清华大学能动系在人工心脏自主研发技术上取得的重要进展。

　　单相和多相湍流在自然界和工业生产中广泛存在 并且大多受到复杂边界和极端条件的影响 对其物理机制的深入研究，既可以帮助揭示湍流结构生成和输运效率与复杂壁面和极端条件的耦合作用 又与大气、海洋、地核、航空发动机、石油开采、化工生产等众多动力学系统中的流动息息相关，具有重要的理论和应用价值。该文主要从复杂壁面条件对热湍流的调控、极端重力条件和多孔介质条件对湍流结构和输运效率的影响 并对湍流场中的颗粒动力学和液液两相湍流等几个方面，着重评述近年来本研究组在复杂边界和极端条件下的湍流的若干研究进展。最后 简要地总结并展望了未来研究工作的方向。

　　针对S2流面求解的通流计算方法与全三维黏性求解的计算流体力学(computational fluid dynamics CFD)方法是叶轮机械气动设计与分析的主要技术手段。该文基于一套自主开发的流线曲率法通流计算程序，建立了适用于多级高负荷轴流压气机的通流与CFD一体化优化设计方法。该方法由通流与CFD一体化气动分析方法和基于改进智能优化算法的设计优化方法构成。研究将其应用于某跨音压气机中，对其中的跨音动叶边界层分离流动问题进行合理定位。针对第一级动叶(R1)与第动叶(R3)开展优化设计，分别获得了压气机效率提升0.1%和0.3%的优化设计方案。研究表明，该方法能够实现通流与CFD分析方法优势互补，同时把握气动布局设计与细节流场结构特征，从而高效定位压气机气动性能与流场结构问题及其与叶型设计或气动布局的关联，指导优化设计方向。

　　火焰动力学特性对燃烧系统热声振荡的准确预测和控制具有重要的意义。该文介绍了作者团队近年来针对不同应用背景下的火焰动力学特性在理论建模和实验验证方面的研究，包括理想非预混射流火焰、钝体预混火焰、值班火焰等组织方式以及扰动下的火焰动力学特性。其中：通过Green函数法建立了非预混火焰的分布式火焰传递函数; 通过火焰面方程和离散涡模型研究了涡和火焰面的相互作用机理; 通过双火焰面模型研究了值班火焰和主火焰之间的相互作用机理; 通过非对称火焰模型，研究了火焰对不同方向扰动的响应特征。结果表明，将火焰动力学模型与声学网络模型结合分析，可以得到火焰动力学对燃烧室热声稳定性的影响机制。

　　燃气轮机和航空发动机被誉为是工业皇冠上的明珠，其研制水平是一个国家科技水平和综合国力的重要标志。随着燃气轮机和航空发动机工作效率和性能的不断提高，涡轮入口温度逐年上升，涡轮叶片暴露在更高的来流温度下。为使金属叶片在远超其熔点的温度中仍能安全运转，亟需发展高效的冷却技术。该文概述了燃气涡轮高效冷却技术及设计方法的发展趋势，提出了按照3个维度开展燃气涡轮冷却技术研究的思路，总结了本团队在冷却单元-气冷叶栅-整机多部件交互等方面的基础研究成果，搭建了基于实验数据驱动的高效高精度冷却结构设计平台，探索了以双层壁为代表的下一代冷却技术的特性和发展趋势。

　　碳达峰、碳中和目标将加速我国能源系统的低碳转型。为促进全社会的协同行动，需要一个未来低碳能源系统的清晰、完整图景来提供前瞻性引导。而目前，未来低碳能源系统的形态、特征以及敏感性因素尚研究不足。该文发展了一套能源-物质流耦合及敏感性分析方法，建立了2050年低碳能源系统的计量基础，描绘了其整体能源流向和二氧化碳排放源、汇的关系，并分析了其主要组成部分的结构和效率一旦发生变化对二氧化碳排放总量的影响。结果表明，未来低碳能源系统可能将呈现非化石能源为主的一次能源结构和发电结构以及高比例终端电力占比等基本形态，并可能具有电力部门负排放、工业部门排放最大等基本碳排放特征。该系统的碳排放总量对工业部门的电力占比和化石能源发电的效率变化最为敏感，其次是风电占比提高、更多煤电安装碳捕获和封存(carbon capture and sequestration,CCS)及化石能源发电的余热利用等。为此，该文建议严格控制化石能源的终端直接利用，加速电力部门低碳进程，加强探索难减排部门的低碳路径和非化石非电利用，以及大力建设智慧能源系统来保障多能互补。

　　为了响应2030年碳达峰和2060年碳中和的目标，我国各行业及区域均需要根据自身资源禀赋和未来发展预期对能源系统发展进行低碳规划。科学的规划可以在一定程度上降低碳减排的成本。该文建立了基于超结构建模方法的能源系统发展规划模型，可用于以碳达峰为目标的发展路径规划。该模型以区域能源系统结构及主要基础设施为规划起始点，综合考虑规划期内不同时间段上多种能源供应、转化、传输、储存、消费技术可能性及相互替代性，从而得到能源系统总成本最优的低碳发展技术路径。该文以某规模以上城市为例，对其20212035年间的能源系统发展路径进行了规划设计，将该市的碳排放峰值控制为1.79 亿t，15年内累计减少二氧化碳排放共计1.5 亿t。

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