重庆大学动力工程及工程热物理前沿课报告

研究生课程考核试卷 （适用于课程论文、提交报告） 科

目： 动力工程及工程热物理前沿

教 师： 赵良举等10位老师

姓 名： 学 号：

专 业： 动力工程及工程热物理 类 别： （学术） 上课时间： 2014 年9月至2014年 11月 考 生 成 绩：

卷面

成绩

平时成绩 课程综合成绩

阅卷评语：

阅卷教师 (签名)

动力工程及工程热物理前沿

1.《宇宙乾坤能量密码天人合一》——赵良举

宇宙无限大吗

在晴朗的夜晚仰望星空，是件非常惬意的事。但是，有多少人去仔细想过，为什么夜晚的天空是黑暗的呢“这还用问，晚上没有太阳”。“可晚上有星星，星星也发光”。“星星的光太弱了”。“如果星星布满整个夜空呢”。对呀，如果星星布满夜空，晚上的天空就一定是明亮的了。为什么星星没有布满整个夜空这是德国天文学家奥伯斯于1823年在思考的问题，最后发展成为著名的奥伯斯佯谬。

奥伯斯佯谬是个宇宙学的问题，是关于宇宙是有限或无限的问题。这个问题可以说在当今世界仍然是个未解之迷，或许如美国著名科普作家阿西莫夫所说：宇宙的层次是无穷的，人类可能永远都无法完全认识她。这正是宇宙的无穷神秘之处。

能量密码

物质是浓缩了的能量，能量就是释放了的物质，简单来说，能量就是宇宙中的一切。能量不能被创造也不能被灭亡，它只能从一个地方向另一个地方传递，从一种形式转变为另一种形式。热力学第一定律和热力学第二定律始终贯穿在能量密码之中，但是精彩的一笔是赵良举老师提到关于宇宙循环和热二定律矛盾的地方，最终引出了热二定律的适用范围，对多分子系统成立，却不适用于整个宇宙。这次课也告诉我们，科学是不断探索的，当下的很多理论存在很多的限制性条件，搞科研要寻根究底，不能固执迷信。

能量体现在科学现象的各个方面。从流体力学的角度看，人不能两次踏入同一条河流，所以，我们应该珍惜生活中的点点滴滴；从传热学的角度看，物体要辐射更多的能量必须提高它的温度，为了给社会作出更大的贡献，人则必须要提高自己的素质和能力；从热力学的角度看，人生是一个不可逆的循环，从哪里来到哪里去，无情的熵增指引着前进的目的地；从泵与风机的角度看，人生只有经过加速才能提高力量；从反应堆物理分析的角度看，中子存在散射与吸收，唯有淡定得与失才能临界。

2.《原子的世界》——李加兴

原子与原子结构

原子非常小，其直径大约有千万分之一毫米，是由位于原子中心的原子核和一些微小的电子组成的，这些电子绕着原子核的中心运动，就像太阳系的行星绕着太阳运行一样，并且原子与宇宙任何黑色粒子相同。原子中除电子外还有什么东西，电子是怎么待在原子里的，原子中什么东西带正电荷，正电荷是如何分布的，带负电的电子和带正电的东西是怎样相互作用的等等一大堆新问题摆在物理学家面前。根据科学实践和当时的实验观测结果，物理学家发挥了他们丰富的想象力，提出了各种不同的原子模型,如汤姆逊的枣糕模型，太阳系模型，波尔模型等。直到查德威克发现了中子，他解决了理论物理学家在原子研究中遇到的难题，完成了原子物理研究上的一项突破性进展。后来，意大利物理学家费米用中子作“炮弹”轰击铀原子核，发现了核裂变和裂变中的链式反应，开创了人类利用原子能的新时代。

核聚变

核聚变，又称核融合，是指由质量小的原子，在一定条件下，发生原子弹互相聚合作用，生成中子和氦，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。原子核中蕴藏巨大的能量。根据质能方程E=mc^2;原子核之静质量变化（质量亏损）。造成能量的释放。由较轻的原子核变化为较重的原子核，称为核聚变，如恒星持续发光发热的能量来源。相比核裂变，核聚变的放射性污染等环境问题少很多。如氘和氚之核聚变反应，其原料可直接取自海水，来源几乎取之不尽，因而是比较理想的能源取得方式。目前人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。但是要想能量可被人类有效利用，必须能够合理的控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出；而触发核聚变反应必须消耗能量，因此人工核聚变的能量与触发核聚变的能量要到达一定的比例才能有经济效应。科学家正努力研究如何控制核聚变，但是现在看来还有很长的路要走。目前主要的几种可控制核聚变方式：超声波核聚变、激光约束（惯性约束）核聚变、磁约束核聚变（托卡马克）。太阳中心核聚变外的物质。物质无论是分裂或合成，都会产生巨大的能量。

3.《燃烧基础研究的机遇及挑战》——苟小龙

HCCI

均质充量压缩着火燃烧，就是柴油机在着火前像汽油机那样形成均质混合气，消除扩散燃烧，采用较高压缩比压缩可控着火，实现近似等压燃烧；同时要具有良好的化学反应动力学效应，实现低温火焰快速燃烧，燃烧持续期短，燃烧效率高，可以同时保持较高的动力性和燃油经济性，达到高效、低污染的目标。与传统的点燃式发动机相比，它取消了节气门，泵气损失小，混合气多点同时着火，燃烧持续期短，可以得到与压燃式发动机相当的较高的热效率;与传统柴油机相比，由于混合气是均质的，有效的解决了传统均质稀混合气燃烧速度慢的缺点，燃烧反应几乎是同步进行，没有火焰前锋面，燃烧火焰温度低，可以同时降低NOx 和PM 排放。HCCI的优点还包括它的燃料灵活性高。所以这一燃烧方式具有重要的理论意义和广阔的应用前景。

内燃机燃烧效率的提升空间

内燃机在未来几十年仍将是移动式动力装置的主要原动机。2011年，我国内燃机年产量已达亿千瓦，内燃机的石油消费量约占我国石油总消费量的66%，我国石油进口依赖度已达54％。内燃机也是大气环境的污染源，发展高效清洁内燃机技术是经济和社会发展的最大需求。

内燃机未来的发展将着重于改进燃烧过程，提高机械效率，减少散热损失，降低燃料消耗率；开发和利用非石油制品燃料、扩大燃料资源；减少排气中有害成分，降低噪声和振动，减轻对环境的污染；采用高增压技术，进一步强化内燃机，提高单机功率；研制复合式发动机、绝热式涡轮复合式发动机等；采用微处理机控制内燃机，使之在最佳工况下运转；加强结构强度的研究，以提高工作可靠性和寿命，不断创制新型内燃机变气门，变升程，变相位，甚至停掉几个缸的技术，都没能做到在行进中连续变缸径，但有等效的。

美国能源部也要求大幅度提高内燃机效率，2020 年重型内燃机热效率由当前的40%提高到55%。我国内燃机油耗现状与上述国际先进内燃机油耗法规标准还存在很大差距。

4.《分子动力学模拟极其应用》——刘朝

分子动力学模拟的初始条件和边界条件

系统的初始位形和初始速度可通过实验数据、理论模型或两者的结合来确定。如果模拟系统无固定晶格结构，则每个原子的位置可用舍选法或Petropolis 等方法从初始密度分布n(r)得到；每个原子的初速度可从初始温度分布Tc(r)下的Maxwell-Boltzmann分布来随机选取。对于流体分子系统，粒子的初始速度按高斯分布来选取比较合理。物体的宏观性质是大量粒子的统计行为，模拟系统的粒子数必须非常大才能准确地再现系统的行为。分子动力学模拟采用周期性边界条件的假定。取模拟系统为中心元胞，一般为立方体，体系中含有几百至上万个粒子，使中心元胞在三维空间上重复排列，于是系统粒子￡的象粒子将在三维空间周期性出现，体系势能包括粒子与象粒子间的相互作用在内。应用周期性边界条件后，整个体系就变得粒子数赝无限了。周期性边界条件是一个近似，它给体系强加一个实际并不存在的长程序，如果是带电粒子系统还会人为造成极化。显然元胞所含粒子数N不能太小，否则将因边界条件的影响而极大地偏离实际情况。

分子动力学模拟

对于MD与MC模拟来说，其关键的问题是提供准确的粒子间吸纳互作用的位能，一般来说，由于模拟算法的不断成熟与完善，越准确的位能，理论上就能提供越精确的结果。在当今的分析模拟中，已有的经验型位能参数已经无法满足大多数模拟的需要，随着计算机能力的不断加强与计算量子化学的发展，提供量子化学计算粒子间的相互作用能量已经成为获取位能参数的有效方法。

分子模拟顾名思义是在分子水平上的模拟，他所研究的体系在时间和空间上也是有限的，目前最好的模拟水平也是停留在上万个原子（分子动力学）或及报个原子（计算量子化学），时间最长的也在几百纳秒左右。

对于分子模拟来说找到一个合适的分析模拟结果的方法是非常关键的。因为通常模拟的轨迹文件仅仅包含各个粒子的位置、速度和力的信息，只有通过一定的方法对这些信息进行后处理才能才能得到和实验结果可比的物理量，最常见的统计量有径向分布函数，结构因子，配位数，均方位移，扩散系数，速度自相关函数，电导率，剪切粘度，热导率等。

5.《世界能源发展趋势及中国能源发展战略》——冉景煜

世界能源发展趋势

国际能源格局正在经历深刻调整，呈现出国际能源消费重心向东转移、能源地缘政治斗争继续、向低碳清洁能源转型、重视非常规能源等特点和趋势。金融危机的爆发对发达国家能源需求的冲击相对严重，且受经济和人口增长放缓、能源结构调整等影响，美欧石油需求出现疲软。新兴国家正处于经济高速发展期，城市化进程加快，因而能源需求不断攀升。世界石油需求重心东移，需求增长大多来自发展中国家，且主要集中在以中国和印度为主的亚太地区。

气候变化是人类面临的长期性挑战，能源作为最大的碳排放源成为解决全球气候变化的核心。全球能源体系转型迫在眉睫，发展绿色经济、低碳技术、清洁能源、新能源成为国际社会的共识，各国都在加快向低碳清洁能源转型的步伐，发展核电、电动汽车、太阳能、风能、水能和生物质能等，推广节能技术以提高能源使用效率，有实力的国家还在进行碳捕获、储存和利用以及智能电网等方面的探索。抢占新能源技术制高点成为新一轮能源革命的关键。

中国能源面临的挑战与发展问题

我国能源资源的总量虽然较为丰富，但人均占有量低于世界平均水平，石油、天然气等优质能源相对较少。我国能源资源的禀赋和现状，与经济社会快速发展的需求相比，存在较大的差距，这对能源发展提出了严峻的挑战。

第一，能源资源瓶颈制约日益突出。

第二，节能减排的压力越来越大。

第三，能源增长方式迫切需要转变。

随着新一轮能源技术革命的发展，可再生能源将得到更大规模利用，电能占终端能源消费比重将大幅上升，其在发展清洁能源、促进低碳经济中的作用将更加显著。因此，提高全社会电气化水平和能源资源利用效率是需要我们认真研究的重要问题。

6.《大型循环流化床燃烧技术发展》——卢啸风

循环流化床洁净煤燃烧技术

常压循环流化床发电技术是国际上公认的商业化程度最好的成熟技术，这种技术是八十年代发展起来的一种新型洁净煤燃烧技术，它为处理高硫煤和劣质煤及满足严格的大气排放标准带来了美好的前景。循环流化床洁净煤燃烧技术具以下优点：

1）燃料适应性广

2）负荷调节性能好，负荷调节幅度大

3）环保指标优越

循环流化床洁净煤燃烧技术的污染控制成本是很有竞争力的，是已经为世界各国公认的较为成熟而最有前途的洁净煤燃烧技术。

循环流化床技术的优点

作为近三十年发展起来的一种新型洁净煤燃烧技术，CFB 技术得到了迅猛发展，CFB燃烧技术具有许多其它燃烧方式所无法比拟的优势，具体表现在：1）燃料适应性广。可以采用固定和悬浮燃烧方式难以正常燃烧的低热值（灰分大于60%）低挥发性劣质无烟煤、石煤、煤矸石、泥煤、油页岩、石油焦、污泥、生活垃圾以及各种农林废弃物等劣质燃料或废弃物。

2）燃烧效率高。CFB 锅炉的燃烧效率可达97~99%，与煤粉锅炉的燃烧效率相当，且炉膛截面热强度和容积热负荷高。

3）可实现炉内高效脱硫。目前通常认为Ca/S小于2时，脱硫效率可达90%以上。

4）NOx 排放低。由于CFB锅炉为低温和分级燃烧，对降低NOx的排放非常有利。通常CFB锅炉的NOx排放浓度可控制在100 ppm以内。

5）负荷调节范围大、调峰性能好。由于CFB 锅炉的外循环灰量可调，因此具有非常好的负荷调节和低负荷运行性能。

6）燃料制备及给煤系统简单。只需简单的干燥、破碎和筛分装置。而且炉内具有较好的物料颗粒混合特性，可以相应减少给煤点，从而简化给煤系统。

7）灰渣综合利用率高。低温燃烧所产生的灰渣具有较好的活性，且灰渣含碳量较低，可用于水泥或其它建筑材。

7. 《太阳能热发电的发展现状》——吴双应

可再生能源

可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利用的资源，它对环境无害或危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用，主要是指风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源。为了与传统的可再生能源相区别，人们称现代可再生能源为“新型可再生能源”或“可持续能源”意思是强调运用现代科学技术开发自然能源，或者表明开发可再生能源应该建立在高新技术的基础之上，达到高效、安全和实用的目的。

碟式太阳能热发电

作为目前热发电效率最高的方式，碟式太阳能发电整合多个反射镜组成抛物面蝶形聚光镜，通过对其的旋转，将太阳光聚集到接收器中，经接收器吸热后加热工质，进一步驱动发电机组发电。旋转抛物面蝶形聚光镜的应用使得碟式太阳能发电的聚光比达到3000以上，这一方面有效地提高了光热转换的效率，但是另一方面也由于其较高的接收温度，对接收器的材料和工艺提出了更高的要求。碟式太阳能发电系统包括抛物面蝶形聚光镜、高温接收器、跟踪传动装置、发电储能装置等。与塔式和槽式不同的是，碟式太阳能发电主要采用斯特林(Stirling)热力循环，完成热能到机械能的转化，但由于斯特林(Stirling)热机的技术开发尚未成熟，因而碟式太阳能发电尚在试验示范阶段。

国外对碟式太阳能发电的研究已有20余年，自1982年美国加州建造的碟式斯特林太阳能发电实验装置起，美国、沙特、德国、日本、西班牙等国相继建设了不同形式的碟式太阳能发电示范工程，碟式太阳能发电的研究得到了迅速发展．国内一些高校和科研院所也对此做过一些实验研究:中国科学电工研究所与皇明太阳能集团及新疆新能源公司联合研制了4套太阳能发电多碟聚光器和单碟聚光器，多碟式聚光器采用多碟复合聚光方式，输出的峰值热功率为12 kW，系统跟踪精度达mrad。

8《制冷及低温技术》——李夔宁

低温/超导电子学

低温能降低电子器件的噪声，在远红外探测技术必需用38~80K微型制冷机来提高微弱信号的声噪比，如气象卫星上用来测定海水表面层温度分布、云层分布及温度的红外辐射仪，用于测定物质比辐射率以确定宇宙星体构造的红外分光光度仪；探测地层中矿藏分布和资源的红外多光谱扫描仪，防空预警系统中导弹制导系统的红外探测器。在低温下利用约瑟夫逊效应量子器件可精确地测量极微弱磁场变化，有人已将约瑟夫逊效应记录人的脑磁图，用来诊断某些疾病。也有人利用超导微电子器件制造速度更快的计算机。所有超导电子器件都以超导隧道效应为基础，已发展成一门前景灿烂的学科，预计到2020年在信息技术领域，超导应用的产值占46%。

冷库设计中的节能

1）合理设计围护结构。围护结构、隔热层的传热量占冷库总热负荷的20%- 35%,所以减少围护结构的热负荷可以达到节能的目的。冷库在设计时往往采用最大负荷来进行压缩机的选型,实际运行过程中往往和初始设计不相适应,根据负荷合理调整压缩机的台数或减少压缩机的工作缸数，使系统负荷和压缩机冷量相匹配,防止"大马拉小车"的现象,增加能耗。

2）搞好换热设备的节能。换热设备在冷库运行中能耗的占有量也很大，有资料表明：在蒸发温度为-1O℃时，冷凝温度每下降1K，压缩机单位制冷量耗电减少%～%；在冷凝温度为3O℃时，蒸发温度提高1K，压缩机单位耗电量减少%～%。可见减少换热设备的能耗对于冷库节能有很大的意义。

3）加强冷库门的节能。冷库门的开闭将会引起很大的冷量散失，冷藏门的性能不良可能使能耗增加15%或者更多，但很多单位没意识到问题的严重性，不注意冷库门的开闭，导致大量的热空气进入冷库，热湿空气的结合容易在冷风机和蒸发器表面结霜，并且还会打破冷库温度场的平衡,加重制冷机组的负担。

9.《燃料电池的传输现象》——朱恂

直接甲醇燃料电池

直接甲醇燃料电池(DMFC)属于固体聚合物膜燃料电池。由于其高的能量效率和功率密度，非常低的排放物和启动时间短等特点，是非常有发展前景的新兴能源，特别是作为电动汽车的动力源，对减少城市的大气和噪声污染具有积极的意义。与以氢为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)相比，以液态甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池不但可以利用现有的基础设施，而且具有燃料的添加方便和存储安全，以及系统简单等优点。

DMFC 阳极传输模型

目前对DMFC模型的研究主要集中于阳极和质子交换膜方面。对于阳极而言，氢氧燃料电池阳极上发生的是氢的氧化反应，DMFC阳极上发生的是甲醇氧化反应，两者有着极大差异。为了确定甲醇迁移对电池电位的影响，研究人员使用了一种气相进料的低温阳极模型。模型中假设催化剂层中的催化剂粒子空隙间充满了聚合物电解质，没有给甲醇和水的进料留下任何有效空间。这就使得气态甲醇要进入聚合物电解质中,必然要通过催化剂层的部分几何面。此时，甲醇和水通过催化剂层会受到限制,并可能导致质子交换膜脱水，因此这一模型还很不完善。在Baxter使用的液相进料的阳极模型中，阳极催化剂层被认为是由覆有电解质薄膜(作为催化剂层中的结合层)的催化剂粒子(作为催化剂层中基质层)和催化剂粒子空隙中充满的甲醇和水溶液(作为催化剂层中的液体层)组成。根据准质量传递系数，可以对阳极催化剂层中的电化学反应和质量传递过程进行模型化。通过对模型的分析得出甲醇直接氧化速率和活性单位表面积是影响与Pt-Ru 催化剂相关的参数的主要因素。此模型也能预测给定电流密度下透过膜的甲醇迁移量以及保持阳极液体填充孔中CO2水溶性所必要的燃料流动速率。但这一模型并没被实验数据所证实,而且它仅仅考虑了阳极催化剂层的传递现象。

10地源热泵应用技术发展——崔文智

地热能发电利用

世界上有20多个国家应用地热流体发电,总装机容量均大于100MW。利用地热能发电的方式有蒸汽型地热发电和热水型地热发电两种。蒸汽型地热发电把蒸汽田中的干蒸汽直接引入汽轮发电机组发电，有背压式和凝汽式两种系统，该种利用方式简单，但干蒸汽地热资源十分有限，且多存于较深的地层，开采难度大，故发展受到限制。热水型地热发电是地热发电的主要方式，目前有两种循环系统。

（1）闪蒸系统，高压热水从热水井中抽至地面，降压使部分热水“闪蒸”

成蒸汽送至汽轮机做功，分离后的热水可继续利用后排出，或者

再回注入地层。

（2）双循环系统。地热水首先流经热交换器，将地热能传给另一种低沸点流体沸腾而产生蒸汽，蒸汽进入汽轮机做功后进入凝汽器，再

通过热交换器从而完成发电循环，地热水则从热交换器回注入地

层。这种系统特别适合于含盐量大、腐蚀性强和不凝结气体含量

高的地热资源。发展双循环系统的关键是开发高效热交换器。

地源热泵技术

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源既能供热又能制冷的高效节能环保型空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（电能），即可实现能量从低温热源向高温热源的转移。在冬季，把土壤中的热量“取”出来，提高温度后供给室内用于采暖；在夏季，把室内的热量“取”出来释放到土壤中去，并且常年能保证地下温度的均衡。

地源热泵技术特点：

环保：使用电力，没有燃烧过程，对周围环境无污染排放；不需使用冷却塔，没有外挂机，不直接向周围大气环境排热，没有热岛效应，

没有噪：不抽取地下水，不破坏地下水资源。

一机三用：冬季供暖、夏季制冷以及全年提供生活热水。

使用寿命长：使用寿命20年以上，是分体式或窗式空调器的2-4倍。