《耗散最小化多场协同对流传热强化理论和方法》

该项目属于能源科学技术(480)领域。

能源是世界面临的最为紧迫的问题之一,工业过程中能量传递75%以上依靠对流传热,通过强化对流传热提升能源利用率始终是全球的研究热点和前沿。欧洲科学院院士、美国杜克大学Adrian Bejan教授的熵产最小理论、中国科学院院士、清华大学过增元教授的温度-速度双场协同和(火积)耗散极值理论是对流传热强化理论发展的两个重要里程碑,但不能描述工业换热设备中流体传热与流动的协同强化及耗功机制。为此,该项目在973计划、国家自然科学基金重点和面上项目资助下,历经近二十年研究,建立了全面反映流体温度、速度、压力以及能量耗散复杂关系的对流传热强化理论体系,解决了压力对流体传热和流动的作用机制、流体传热与流动的协同机制、对流传热强化过程的能耗机制等关键科学问题,实现了对流传热强化理论的重大突破,带动了对流传热学科发展,为研发工业换热设备提供了重要理论支撑。主要科学发现如下:

1.提出了温度-速度-压力三场协同理论。首次确立了流体压力与功耗的本构关系,阐明了流体压力对换热设备流体传热和流动的作用机制,建立了关于压力和速度的层流协同方程和协同角数学式,构建了湍流传热与流动三场协同传热强化理论。中国科学院院士、西安交大陶文铨教授认为“是最可取的(most preferable)方法”。

2.提出了可用势及传热和流动(火用)损判据。首次提出了普适性可用势函数,建立了传递过程的可用势方程,确立了不可逆耗散的传热和流动(火用)损判据,提出了基于变分原理的(火用)损最小化对流传热强化方法,揭示了对流传热强化过程能量耗散的物理机制。该成果已被列入工业余能评价的国家标准(GB/T 1028-2018)。

3.提出了换热设备混流均温传热强化方法。首次阐明了流体过余扰动耗功机制,确立了流体扰动及换热强度的量化判据,建立了核心区混流均温的传热强化新模式,提出了评价换热设备协同强化的效能评价准则。IEEE Fellow、日本九州大学Koyama教授认为“是有效的(effective)扰流方法,实现了管流核心区温度均匀性”。

8篇代表作发表在Int.J.Heat Mass Tran.等国际传热领域顶级期刊,其中ESI热点和高被引论文2篇。据Web of Science数据库统计,项目第一完成人在“传热强化和优化”主题发表的SCI论文全球第一,引领了对流传热强化理论的发展方向。SCI他引438次(总他引759次),引文发表于Renew.Sust.Energ.Rev.等国际能源领域顶级期刊,作者来自于美国Los Alamos国家实验室、Sandia国家实验室等250个权威研究机构,包括9位院士、18个国际期刊主编和副主编、32位国际权威学会Fellow。美国工程院David Pui院士、中国科学院过增元院士、徐建中院士、金红光院士等认为“是开创性(seminal)工作”、“成功(successfully)分析和优化传热传质过程”、“具有重大(significant)帮助”。

成果获授权发明专利8项,研发的换热装备应用于国内近200家企业,包括最先进的1000MW大型火电与核电发电机组102台,是中核集团出口巴基斯坦“华龙1号”核电机组配套的自主知识产权大型换热设备,也是唯一保障1000米以下深层煤规模化开采的大型换热设备。培养研究生106名,其中国家杰青1名、IEEE Fellow 1名、省优博3名,有力支撑了煤燃烧国家重点实验室、中美清洁能源研究中心、中欧能源学院的建设,促进了工业换热装备行业跨越式发展。

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