二实验室的研究方向主要研究内容预期研究目标.docx
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二实验室的研究方向主要研究内容预期研究目标
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二、实验室的研究方向，主要研究内容，预期研究目标2.1实验室的研究方向过程强化与新能源装备技术重点实验室传热强化与高效节能装能量转换过程强化与新混合、分离、输运强化备能源装备与高效过程装备生物风电光热质气复合转换转换化过强化过程换热过程程强多相传热强化流体器强强化化与高效流与技术与风混合输运化传与中新型分离多尺与高力发强化过程热技高温太阳技术度传效换电系装备的强术与太阳能生与装热的热装统叶技术化与CFD研能热物质备研究置研片设节能究利用能联发与计制装备合供应用造技技术能系术统图1实验室研究方向2.2主要研究内容2.2.1传热强化与高效节能装备本方向主要围绕强化传热与高效节能中的关键科学问题，同时针对强化传热过程流动阻力（或功耗）增加等问题，以流场和温度场相互配合的思路提出传热强化新技术，获得一系列具有自主知识产权的强化传热新结构。
（1）换热器强化传热技术与CFD研究本方向主要研究换热器内部强化传热机理;包括新结构新工艺的发明与工业应用。
应用对流换热强化的场协同理论，针对换热结构内单相层流与湍流流动换热强化的问题，将改善边界层的流动状态、增加管壁的粗糙度、插入特殊的结构等方法相结合，设计新型传热结构，在提高传热效率的同时使得阻力增加不明显。
研究变截面流道内流动、扩张-收缩流动与流体脉动的强化传热机理，分析流动中速度场与温度场的耦合情况，构建强化传热效应的评价准则，开发一系列的强化传热表面，进一步拓展强化传热技
CFD技术对各类传热强化结构进行数值分析，建立其流动与术的工业应用。
采用
传热的计算流动动力学模型，与实验相结合，通过分析整体与局部传热特性为开发新型高效换热结构提供理论依据。
（2）多相流与多尺度传热的研究多相流动重点研究换热结构中沸腾冷凝的传热强化问题，以传热学、流体力学的基础理论为先导，通过开发新的传热结构提高沸腾冷凝传热系数，研究内部流动过程机理，考察结构尺寸、流动状态、操作条件、物性等对强化传热的影响规律，采用先进的测试手段获取内部速度场、温度场等关键参数，为开发新型高效结构换热器奠定理论基础。
采用宏微观分区、界面耦合的方法对几何尺度跨越几个数量级的传热现象进行研究，研究多尺度下传热与流动的特点与规律，结合分层模拟、逐次深化的思想对多尺度流动传热进行数值模拟，建立其分析预测模型。
（3）复合强化传热研究与高效换热装置研发运用强化传热的理论与方法，将各种强化传热技术综合应用，发展复合强化传热技术;研究流体在换热器内的流动、传热、传质、沸腾传热，多相流的特点与规律，并结合各种优化分析方法进行各种新型高效换热器的研发设计与优化;运用计算流体动力学方法，建立换热器的数值模拟方法，预测其流场温度场分布规律，为改进设计，提高效率提供依据;重点面向能源、动力、石油化工等领域，重点开展热管换热器、薄膜蒸发技术的研究，在此基础上开发高效传热传质设备以及工业节能装备，进一步拓展节能与强化传热技术的工业应用领域。
2.2.2能量转换过程强化与新能源装备
（1）光热转换过程强化与中高温太阳能热利用装备技术本方向围绕中高温太阳能热利用的关键部件集热器及其支架设计与制造问题，以强化光热转换效率为目标，开展如下研究工作:
针对集热器的玻璃/金属焊接问题，通过宏微观试验和数值模拟，研究玻璃/金属焊接技术，强化焊接接头质量，建立焊接接头微观组织与焊接接头宏观力学性能之间的关系，提出玻璃/金属焊接接头疲劳寿命的预测方法;针对抛物槽式聚光集热系统能流密度均匀性和聚光精度问题，设研
究流/固/光/热四场耦合作用下的集热计新型集热器支架结构形式，器力学行为和光学特征，采用现代优化设计理论和方法，开展多场耦合条件下的集热器的拓扑优化和性能优化研究，强化太阳能热利用效率。
（2）生物质气化过程强化与新型太阳能生物质能联合供能系统本方向围绕太阳能热利用过程品位低、不连续等问题，以及生物质能利用过程的高度分散和低能量密度问题，以太阳能中高温热利用技术和固定床生物质热化学转化技术为基础，构建太阳能、生物质能耦合供能系统平台，提供热、电和冷，实现能量来源的低成本、规模化、无污染和可再生化，促进新能源技术和装备的研究、示范和推广应用。
低成本聚光型太阳能中高温集热系统研究。
开发新型槽式高温直通式太阳能集热器（DSGDirectSteamGeneration），创新并拥有自主知识产权的新型太阳能高温集热器，进一步降低太阳能高温集热管的造价，提高工作可靠性，并降低聚光系统的跟踪精度要求。
研究热板型集热器金属表面选择性吸收涂层的吸热特性及稳定性;采用波形膨胀节及口伐真空钎焊技术，通过膨胀节刚度和强度的优化设计，解决直通式双层玻璃管封装过程的热胀冷缩，以及工作时因内外管温差引起的失效、开裂问题;研究该新型槽式高温直通式太阳能集热器的集热特性和集热效率，获得集热器优化设计的参数。
研究简洁、可靠、低成本的集热单元大型槽式聚光型太阳能蒸汽单元的进水及蒸汽汇集技术。
从非成像低聚焦度的聚光器到集热器的辐射、传热效率的理论分析及优化设计。
生物质气燃气蒸汽系统研制及强化。
针对传统的固定床气化过程容易烧穿和搭桥，导致气化过程不稳定的难题，开展新型“反烧式”生物质固定床热化学转化过程研究:
设计多段“反烧式”固定床气化炉，研究气化炉的结构和气化反应动力学性能的耦合机制，揭示“反烧式”气化过程的气化机理，实现低成本、高效、稳定的气化过程;对固定床生物质颗粒堆积模型及其气体流动阻力规律进行研究，获得固定床气化炉放大设计的准数关联式。
揭示低热值生物质气燃烧过程的规律，开发多喷管低热值生物质气燃烧器，提高燃烧过程的稳态、动态及安全特性。
生物质热化学转化合成化学品。
开展多段“反烧式”固?
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低成本CPC聚光型太阳能中低温热利用系统研究。
拟将热管传热技术与真空管技术相结合，并和小型CPC（复合抛物面聚焦）聚光技术相耦合，解决太阳能中低温应用过程的低效率和易“爆管”的局限性:
重点解决热管、全玻璃真空管和导热介质的高效耦合和封接，研究其稳态和动态传热特性;小型CPC的设计、优化和低成本跟踪特性，揭示其与热管真空管集热器的高效集成规律。
太阳能高温热化学循环制氢过程研究。
太阳能高温热化学循环制氢成本低，过程清洁无污染，是太阳能高温热利用和氢能开发的有效结合点:
设计太阳能高温热化学循环制氢氧化物反应物体系及循环过程;针对氧化物反应体系，开发高效均匀吸热的腔式太阳能热化学循环反应器，揭示反应器高温集热、传热规律，优化反应器的结构设计;研制太阳能高温热化学循环制氢反应器，对高温条件下的耦合传热、传质和反应特性进行研究，揭示热化学制氢反应过程热力学、动力学规律及分离规律。
聚光型太阳能、生物质能耦合利用系统。
结合太阳能、生物质能耦合供能系统的运行机制，建立系统的结构框架，给出能耗数据获取及传输的规律，设计和实现数据监测、数据分析与数据维护管理，达到优化运行太阳能、生物质能耦合供
能系统的目的。
（3）风电转换过程强化与风力发电系统叶片设计制造技术本方向围绕风电转换过程中的关键部件―风电叶片，以强化风电转换效率为目标，围绕大型风电叶片设计与研发等战略性课题，重点突破风电叶片设计与研发的关键技术，努力形成自主知识产权的2.5MW以上风电叶片设计技术。
将开展如下研究工作:
以轻量化为目标，研究开发新型复合材料叶片的设计与制作工艺，具体内容包括:
高弹模玻璃纤维设计和成型工艺研究、高弹模玻璃纤维力学性能以及耐热、耐酸测试技术研究。
针对风电叶片翼型设计，建立风电叶片气动性能的计算模型，研究利用有限元软件对大型叶片进行强度校核分析的方法和具有复杂气动外形和内部铺层结构的复合材料叶片建模方法，对叶片的结构铺层设计方法进行研究，建立大型叶片初步结构和气动弹性优化设计的理论方法。
研究叶片空气动力学数值模拟方法，开发大型风电叶片低速实验风洞。
2.2.3混合、分离、输运强化与高效过程装备从两个方面开展工业过程的强化技术研究:
一是生产设备的强化，包括新型混合、分离、输运装备、新型反应器、热交换器、高效填料、新型塔板等;二是生产过程的强化，如反应和分离的耦合、分离过程的耦合、外场作用及其他新技术。
从实现可持续发展的高度来推动过程强化技术和装备的发展，力求在设备体积、产业化周期、能耗、物耗和环保等方面使工厂的效率取得突破性的进展。
该方向的具体研究内容包括:
（1）混合强化装备高粘度介质搅拌混合机理的研究及搅拌设备的设计方法。
以橡胶、石油、塑料、涂料、化妆品、制药、食品、造纸和水泥等行业中的高粘度介质为研究对象，研究高粘度流体的混合机理以及不同桨叶型式和操作条件下流体的流动特性，以强度和疲劳设计方法为基础，研究搅拌桨桨叶型式的优化设计方法。
无轴功消耗的静态混合器的混合机理研究。
通过合理设计流道几何形状，利用流体自身的流动特性实现流体混合而无轴功消耗。
以现有静态混合器的性能试验结果为基础，研究静态混合器内部高雷诺数下的流场特性，探明静态混合器中流体的流动规律和混合机理。
建立基于数值分析软件二次开发的流道几何参数及扰流部件的优化设计方法，进而研究静态混合器的设计方法。
开展微流体混合器的基础理论和加工工艺研究。
以微流体力学的理论为基础，深入研究微米流体多尺度混合现象及其强化流体混合机理，重点研究微流体的尺度效应、流动控制方程适用性及边界条件、混合行为的表征方法等。
开展微流体系统的微加工工艺和试验测试方法研究，以及相关微量流体定量器、微泵、微阀及微管道等配套元件的基础研究。
（2）高效分离技术超临界技术的研究和应用。
以超临界萃取和超临界水氧化技术为主要突破点，开发稳定性良好、效率高、无污染的化工分离技术和装备。
超临界萃取技术的研究以超临界二氧化碳萃取为重点，研究相平衡及流体传递性质及温变压工艺、等压变温工艺及恒温恒压工艺的运用，研究快开密封结构设计方法、大型萃取釜的设计制造工艺及其自动控制方法。
按工业规模化生产的要求，研究超临界萃取的连续化生产工艺。
超临界水氧化的研究主要包括设备的腐蚀机理与防护措施、工艺过程中的催化剂选取和盐沉积去除、系统自热的回收等。
水力旋流器分离机理和设计制造技术研究。
以水力旋流器的流场模拟和测试为基础，研究水力旋流器的微型化、牢固轻质化技术。
研究水力旋流器在液体澄清、固相颗粒洗涤、液体除气与除砂、固相颗粒分级与分类以及两种非互溶液体的分离等多个工况下的分离机理。
以两相流和多相流理论为基础，研究水利旋流器的内流场试验测试方法以及结构优化设计方法。
（3）流体输运过程的强化与节能旋转机械的故障诊断技术。
基于流体机械
的机械和流体流动两方面特性，采用小波分析、分形理论、人工神经网络等方法分析流体机械的稳态和非稳态流动特征，研究故障信号的时域分析和频域分析方法，研究压缩机、泵、工艺气轮机及离心分离设备等代表的旋转机器设备的故障诊断方法，开发流体机械状态监测试验系统。
泵系统的节能增效技术研究。
以泵系统为研究对象，根据其运行情况，对泵系统的运行经济性进行评价。
研究开发节能增效技术，包括多级泵叶轮抽减方法、变频调速节能方法、高效叶轮设计方法以及多泵运行优化技术等。
微流体流动理论和微流体机械的基础研究。
研究微流体系统中液体流动过程中液固界面力、速度滑移、温度阶跃和表面粗糙度等边界条件的作用机理、表征方法及其对流动的影响规律，进而研究微尺度气体和液体的流动和传热特性。
建立流-固-流耦合传热分析方法，研究管介质、微通道的耦合作用机理;研究微流体系统的加工及封装工艺，研究微微流体系统的流动和传热性能的试验测试方法。
2.3预期研究目标通过对传热、传质以及能量转换等过程的基础研究，具备从事科学前沿与学科交叉的重大基础研究的能力和解决国家重大需求的关键技术开发的能力，实验室在过程强化和新能源装备领域达到国际先进水平，以实现其生产过程的节能、减排、降耗以及新能源的高效综合利用，为国家与江苏省建立低碳经济生产模式奠定良好的技术基础，同时为国家级重点实验室或工程技术研究中心的建立打下坚实基础。
2.3.1传热强化与高效节能装备
（1）通过对单相流动条件下各种换热结构强化传热的研究，进一步丰富场协同理论。
在不同的操作条件下，总结并提出各种换热结构强化传热的特点和机理。
通过数值分析得到局部流场与温度场的协调关系，优化各种换热结构。
开展换热器内相变流动传热，多相流动传热的特点与规律研究，揭示其内部流动传热机理，获得结构尺寸、流动状态、操作条件等因素对相变强化传热的影响规律。
提出换热器复合强化传热技术，完成板翅式换热器、螺旋折流板换热器、热管换热器、薄膜蒸发器等高效传热传质设备的优化设计方法。
形成传热强化基础研究平台。
（2）以强化传热基础研究为指导，通过研究各种新型高效换热器的新技术、新方法，应用近年来十分活跃的场协同强化传热原理，分析换热器强化传热的机理，为提高换热器传热效率提供理论依据。
形成一批拥有自主知识产权的技术成果与系列产品。
推进新型高效换热器产品的工业化应用，为我国工业的节能减排做出贡献。
（3）进一步发展高效紧凑的板翅结构新型换热器研究，以板翅结构为基本单元，开发多种强化传热新结构和板翅结构制造新工艺，提出翅片性能预测与换热器结构优化的新方法，以减少金属消耗量，降低换热器制造成本，提高换热效率。
在前期研究和产业化的基础上，进一步推进成果转化，力争获得国家科技奖。
2.3.2能量转换过程强化与新能源装备
（1）完成太阳能抛物面槽式聚光系统的研发。
打破国外技术垄断，形成具有国际先进水平和自主知识产权的太阳光接收器的制造技术;完成太阳能抛物面槽式聚光器支架的轻量化设计，降低太阳能热发电的成本。
（2）研制出槽式聚光高温直通式带跟踪太阳能集热器样机一套，获得真空条件下玻璃和波形膨胀节联接的工艺参数，得到高聚光条件下新型集热器的光热转换规律，为太阳能热发电、太阳能高效制冷和太阳能海水淡化进行技术储备。
（3）开发小型可跟踪型CPC太阳能集热器，解决其耦合集成难题，揭示其稳态和动态传热规律，为高效率抗冻热水器提供基础研究。
（4）研制出高效低温的热化学转换制氢材料，开发新型热化学循环体系，提高太阳能高温集热器效率和集热温度，得到太阳能高温制氢过程耦合热质传递和反应动力学规律，为其
规模化应用奠定基础。
（5）开发出可连续稳定产气的生物质固定床“反烧式”气化炉，获得气化过程机理，建立耦合物理和化学方法的低成本、高效焦油脱除工艺，实现低成本生物质气化过程供能、生产化学品工艺。
以聚光太阳能中高温集热技术和生物质固定床“反烧式”气化技术为基础，建立太阳能、生物质能耦合供能系统在大型公共建筑物中的应用工业化装置，为建筑物提供热量和冷量，投资和运行成本和燃煤相当。
该工程可实现用能的可再生化，为农村用燃气、工业用能提供示范，拓宽生物质能和太阳能等清洁能源的应用范围，为国家未来的能源战略提供储备。
（6）建立大型叶片初步结构和气动弹性优化设计的理论方法，形成具有自主知识产权的2.5MW以上风电叶片设计技术;建立风电设备，尤其是海上风电设备的可靠性模型。
（7）促进新能源装备、热能工程、化学工程和制冷工程等学科和方向的融合;相关新能源装备技术和平台达到国内领先，国际先进水平。
形成1-2套新能源装备技术示范工程和小规模工业化装置。
2.3.3混合、分离、输运强化与高效过程装备高粘度介质搅拌混合机理的研究及搅拌设备的设计方法。
以强化传热、提高混合质量、改善被混合介质的性能为目标，通过研究高粘度流体的混合机理以及不同桨叶型式和操作条件下流体的流动特性，建立搅拌桨选型及优化设计方法，提高高粘度介质的混合效率，降低轴功耗15以上。
无轴功消耗的静态混合器的混合机理研究。
通过静态混合器内流场的数值分析和试验研究，探明静态混合器中流体的流动规律和混合机理。
增强静态混合器的适应性，为静态混合器产品的规范化和标准化提供技术支持，提高我国的静态混合器设计制造水平，推动静态混合器在化工、制药、食品、环保等领域的应用。
开展微流体混合器的基础理论和加工工艺研究。
明确微尺度条件下流体的流动特性，通过微结构设计，实现流体在低雷诺数条件下的快速、均匀混合，形成可进行定量微量液体混合的微流体混合系统。
超临界技术的研究和应用。
建立超临界萃取釜的设计及其自动控制方法，形成超临界萃取的连续化生产工艺，满足工业规模化生产的要求。
力争在快开密封结构、微机自动控制、工艺流程布局、安全设施和过程总能耗设计上达到或接近国际先进水平。
水力旋流器分离机理和设计制造技术研究。
建立水利旋流器的内流场分析方法及结构优化设计方法，掌握水力旋流器的微型化、牢固轻质化技术。
旋转机械的故障诊断技术。
建立压缩机、泵、工艺气轮机及离心分离设备等的故障信号的时域分析和频域分析方法，研制流体机械状态监测试验系统并获得工业应用。
泵系统的节能增效技术研究。
建立泵系统的运行经济性进行评价方法，将多级泵叶轮抽减方法、变频调速节能方法、高效叶轮设计方法以及多泵运行优化技术等节能增效技术运用于泵系统，保证泵系统节能10以上。
微流体流动理论和微流体机械的基础研究。
依据微尺度气体和液体的流动和传热特性的研究成果，明确微流体系统的耦合传热机理，提出复杂流道中微液体流动的减阻策略。
建立典型微通道换热器的换热性能试验测试方法及其设计方法。
三、队伍建设及人才培养的计划3.1学术带头人介绍
（1）传热强化与高效节能装备研究方向带头人凌祥教授，工学博士，博士生导师，钱江特聘专家，南京市有突出贡献的中青年专家。
主要从事新能源技术与装备、过程强化与节能环保装备技术、紧凑式热交换器、微通道热交换器、特种表面处理技术、特种连接技术（钎焊、扩散焊）、高温蠕变损伤与断裂等研究。
现任机械与动力工程学院院长，美国机械工程师学会（ASME）会员，中国机械工程师学会高级会员，中国化工学会高级会员，江苏省力学学会常务理事，中国机械工程师学会换热器专业
委员会委员，江苏省特种设备管理协会副理事长，中国化工学会化工机械专业委员会委员，过程装备先进制造技术重点实验室主任。
1998年被评为江苏省“青蓝工程”的优秀青年骨干教师，2002。
2005年被年入选江苏省“333跨世纪学术、技术带头人培养工程”评为“全国化工优秀科技工作者”。
2006年被遴选为江苏省“333高层次人才培养工程”首批中青年科学技术带头人，2007年被评为教育部“新世纪优秀人才支持计划”人选，2008年被评为江苏省青蓝工程中青年学术带头人，2009年入选国.
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