項目名稱：    復雜約束條件氣液兩相與多相流及傳熱研究

推薦單位：    教育部

項目簡介：    本項目屬動力工程及工程熱物理學科領域。

氣液兩相與多相流動、傳熱傳質及化學反應現象廣泛存在于能源動力、石油化工和自然界等許多過程中。近20年來，本項目針對復雜管道內和瞬態、高參數、超臨界及極端條件下的兩相與多相流及傳熱特性缺乏系統深入認知，且少有可進行相應條件下實驗的系列裝備和技術等問題，開展了全面和系統的分析研究，通過自主創新、建立了一整套實驗研究的裝置和系統，開展了一系列高溫高壓氣液兩相流及傳熱、超臨界水中多相流熱物理熱化學、復雜油氣水多相流試驗研究，獲取了大量寶貴的實驗數據，解決了許多復雜及極端條件下多相流實驗手段的難題。

在上述工作基礎上，開展了理論和實驗層面的科學研究，揭示了各種管內高壓水/水蒸汽流動及傳熱的系統規律，提出并發現生物質、煤及有機廢棄物與超臨界水的多相流連續混輸和熱化學氣化的能源潔凈轉化新途徑和原理，創建復雜管內油氣水多相流動和混輸規律、流動參數測量和控制的方法和理論，建立了兩相與多相流動力學新的基本理論框架，取得重要科學成果和顯著應用效益。

項目共發表論文200余篇，著作3部，其中國際期刊論文64篇、系列國際學術大會主旨和特邀報告10篇，SCI收錄74篇，EI收錄135篇，獲授權國家發明專利3項、已公示4項。論著被Nature-Biotechnology、Chemical Reviews和Annual Review of Fluid Mechanics等64種國際期刊和大量中文期刊論文等他引共1018篇次，SCI引用230篇次、他引151篇次。他引論文作者有美英日德等數十個主要國家和地區的百余名著名學者；主持召開每4～5年一次的系列國際會議5次，協辦他國召開的國際會議18次；擔任5種國際、9種國內期刊編委和15個國內外學術組織負責人。項目研究產生了重要國際學術影響，促進了本學科快速發展。

主要發現點：  1.建立了各種管內高壓水/水蒸汽流動與傳熱的規律，比較系統地提出和建立螺旋管多相流熱物理的理論體系，發現兩類新型氣液兩相流脈動及其規律，發現流動與傳熱脈動的反相效應，提出的第一張螺旋管高壓氣水兩相流流型圖等重要成果，被S Kakac、RK Shah、TN Veziroglu、KJ Bell等著名學者評價為該領域的先驅（Pioneer），受到廣泛引用，解決了鍋爐反應器及蒸汽發生器內極限傳熱和流動失穩預報的難題，直接應用于發展我國先進及特種能源動力系統，產生顯著經濟和社會效益；(代表作[2-6,10]；多相流動，工程傳熱傳質學)

2.有別于能源轉化和廢棄物處理的常規方法不能完全消除污染和實現CO2零排放的現狀，創新性提出并建立了生物質及煤、有機廢棄物等碳氫化合物的超臨界水多相流連續混輸熱化學氣化的能源完全潔凈轉化新方法和原理，實現了從生物質模型化合物到原生質、煤和有機廢棄物的多相流連續混輸與在超臨界水中的完全氣化制氫，同時揭示了管內超臨界水流動傳熱和超臨界水中有機物完全氣化制氫的多相流熱物理熱化學規律。首篇論文在Int J Hydrogen Energy發表三年來即被Nature Biotechnology、Chemical Reviews等著名期刊論文他引43篇次，產生重要影響，展示出從碳氫化合物完全潔凈轉化制氫的可行性和巨大潛力，開拓了多相流科學研究的新領域；(代表作[1]；多相流動理論，工程傳熱傳質學)

3.揭示了復雜管內油氣水多相流流型及其轉變、段塞流的形成發展、相濃度和相速度分布等的系統規律，發明多種多相流特征參數測量技術及方法，建立了系統的管內復雜油氣水多相流和混輸的規律、參數測量和控制的方法和理論，提出全新的多功能耦合流型圖、各種管內油氣水多相流壓降計算式和段塞流動力學模型及預報方法，為解決大型油氣水混輸管道內復雜多相流流型的分類判別、預報與管道及設備的設計和安全監測理論提供了科學依據；(代表作[7,10]；多相流動理論)

4.從上述復雜約束條件的具體特性中提煉出共性基礎，構建了兩相與多相流動力學新的基本框架體系，該體系由多相流中相場空間結構與相分布、界面現象、波動現象、顆粒相特性和可變形顆粒動力學、沸騰系統兩相流及其不穩定性、以及兩相與多相流數學建模及數值模化方法等六方面構成，揭示了多相流"相場空間結構與相分布不均勻性、狀態多值性、過程不可逆性"等三大基本屬性，在大量實驗基礎上，建立了關于氣液兩相與多相流動的相場空間結構及其轉變、界面傳遞、波動、流動系統不穩定性、可變形顆粒運動和聚并及分裂、相分離和燃料電池多孔介質多維多相流等方面的一系列模型及數值方法，提出求解非線性問題的“時－空兩層算法”及其收斂性與穩定性理論，運用非線性數學物理方法進行多相流相界面描述和模擬，揭示了相界面分形特征與相界面構形、參數、界面波動等之間的關系，發展了新的相界面參數統計預測模型，推動了兩相與多相流動力學科學理論的建立和發展。(代表作[8-10]；多相流動理論)

主要完成人：  1.   郭烈錦

本項目學術帶頭人，總的學術思想、基本屬性和理論體系的提出者，負責制定總體研究路線和落實各方面的工作計劃，全面安排實施并具體研究和指導研究生、開展研究工作，是本項目主要發現點1，2，3，4的核心貢獻者；投入本項目工作量約為80％。

2.   陳學俊

本項目學術帶頭人，指導研究生開展研究工作，是本項目主要發現點1，3，4的主要貢獻者之一；投入本項目工作量約為70％。

3.   趙亮

本項目組主要研究成員，本項目主要發現點1，2的主要貢獻者之一；投入本項目工作量約為90％以上。

4.   郝小紅

本項目組主要研究成員，本項目主要發現點2的主要貢獻者之一；投入本項目工作量約為90％以上。

5.   何銀年

本項目組主要研究成員，具體承擔并指導研究生開展兩相流模型和數值算法的研究，本項目主要發現點4的主要貢獻者之一；投入本項目工作量約為70％。

10篇代表性論文：  1.   Hydrogen production from glucose used as a model compound of biomass gasified in supercritical water [J]. /Int. J. Hydrogen Energy

2.   An experimental investigation of the frictional pressure drop of steam-water two-phase flow in helical coils [J]. /Int. J. Heat Mass Transfer

3.   Multivariable linear investigation of two-phase flow instabilities in parallel boiling channels under high pressure [J]. /Int. J. Multiphase Flow

4.   Boiling onset oscillation: A new type of dynamic instability in a forced- convection upflow boiling system [J]. /Int. J. Heat Fluid Flow

5.   Transient convective heat transfer in a helical coiled tube with pulsatile fully developed turbulent flow [J]. /Int. J. Heat Mass Transfer.

6.   Convective boiling heat transfer and two-phase flow characteristics inside a small horizontal helically coiled tubing once-through steam generator [J]. /Int. J. Heat Mass Transfer

7.   Flow patterns and pressure drop in oil-air-water three-phase flow through helically coiled tubes [J]. /Int. J. Multiphase Flow.

8.   PEM fuel cell performance and its two-phase mass transport [J] /J. Power Sources

9.   Stabilized finite element methods for the stationary Navier-Stokes equations [J] /J. Engineering Mathematics

10.  兩相與多相流動力學[M]