基于CONVERGE 软件构建了520 mm 直径定容弹模型，探究了氨/柴油喷油器夹角、喷油器喷射角度和氨喷射时刻对液氨喷雾混合、柴油引燃氨的影响。结果表明良好的接触位置和柴油火焰包裹面积可提高放热率峰值。较小的氨/柴油喷油器夹角有利于氨与火焰交汇，增强引燃效果；较大的喷油器喷射角度可加快氨的引燃速度。氨喷雾撞击火焰位置与喷射时刻相关，不同撞击位置对氨引燃以及排放情况均有影响，合理控制喷射时刻有助于改善氨与柴油火焰的接触。

富氧燃烧是未来实现氨燃料零碳高效发电的重要技术，其发展受火焰温度和氮氧化物排放高的限制。稀释剂技术是抑制火焰温度和氮氧化物排放的有效策略，包括氮气和蒸汽稀释策略。本文基于数值模拟对比研究了蒸汽和氮气稀释对氨富氧燃烧火焰速度、NO 排放、温度和熄灭拉伸率的影响规律和作用机理。结果表明蒸汽稀释对火焰速度的抑制效率为氮气稀释的1.22∼1.38倍，且其抑制火焰温度和NO_x 排放的效果更为显著。在富燃条件下，蒸汽对火焰温度和NO 排放的抑制作用进一步加强，但贫燃条件下蒸汽稀释会加剧NO 排放。蒸汽稀释下的氨富燃火焰相较于氮气稀释更容易发生熄灭，且富燃条件下的熄灭拉伸极限显著变窄。

我国新疆高碱煤中的Na/Ca/Fe 等含量较高是导致其在炉内燃烧过程中引发强烈结渣、沾污的根本原因。目前采用的主要防结渣、沾污措施虽然对降低新疆高碱煤结渣沾污程度、提高新疆高碱煤掺烧比例有所帮助，但要实现长周期、高负荷全烧高碱煤仍存在一定难度。特别对于新疆地区某些铁含量较高的高碱煤，其炉膛结渣十分严重，进一步增加了全烧该类煤种的难度。为此，采用液态排渣燃烧方式燃用该类煤种成为了一种可能，论文以我国新疆高碱煤煤质特性为切入点，分析总结了典型高碱煤液态排渣燃烧方式下灰的熔融成渣特性、黏温特性以及碱金属释放特性，以及国内外采用液态排渣燃烧方式燃用高碱煤的最新研究进展，现有研究结果表明：液态排渣燃烧方式下，通过在旋风燃烧器或炉膛内的高温燃烧，可将高碱煤灰中的大部分低熔融物质优先熔融，进而实现对炉膛出口烟气飞灰的改性，降低了炉膛出口烟气飞灰黏性及烟气重点飞灰浓度；此外，提高渣灰比以及增加高温烟气与液态渣膜的混合强度，可进一步降低液态排渣锅炉尾部对流受热面沾污程度。

本文从实验和理论两方面讨论了甲烷作为一种抑制性气体添加对氢气–空气爆炸的影响。结果表明，2% 甲烷添加使贫燃条件下H 自由基的净生成速率增加，使反应区有更多的H 自由基参与反应，促进火焰的传播，导致爆炸超压和层流燃烧速度的增加。对于化学计量比和富燃条件下，随着甲烷体积分数的增加，混合物燃爆的压力和速度单调降低。这是因为甲烷可以与活性自由基反应降低反应区内活性自由基的浓度，并且甲烷脱氢产生的CH₃· 可以进一步降低活性自由基的浓度，导致活性自由基向无活性基团转化，使链反应速率减弱。

本研究以缩尺寸双层盾构隧道模型为原型，针对仅开启靠近火源一侧风机的单侧支管排烟模式，建立CFD 数值模型，与实验现象进行了对比验证。在此基础上开展不同火源条件和排烟风机风量下的火灾模拟工况，探讨单侧排烟模式下隧道补风气流在有无火源条件下的变化规律，进而阐明火灾烟气向下游侧有更大蔓延距离的作用机制，同时从定量上表明隧道火灾烟气沿隧道两侧纵向蔓延距离比值与隧道两侧补风风量比值基本成反比关系。

本文提出了一种适用于掺氢天然气燃烧烟气辐射特性计算的、含碳烟的综合灰气体加权(WSGG) 模型，该模型以基于HITEMP 2010 光谱数据库的LBL 模型为基准。相较于针对常规燃料空气燃烧开发的传统WSGG，该模型能够进行更加精准的介质辐射预测。在发射率和若干一维测试算例的验证下，该模型被证明能够得到与基准模型相似的计算结果，因此可以用于实际工程的天然气掺氢燃烧的介质辐射计算，为燃烧炉设计及CFD 计算提供基础。

利用拉曼光谱法对RP-3 航空煤油在石英管中氧化过程产生的焦炭结构演变进行研究。实验探究了常压下550°C、575°C、600°C 和625°C 四个温度下焦炭演变过程的影响，并通过模型燃料的化学反应动力学揭示了RP-3 气相反应的路径。RP-3 的结焦过程可分为五个阶段：气相反应阶段、物理沉降阶段、表面反应阶段、内部反应阶段和层堆积阶段。焦体表面与内部反应阶段所需的时间均随着温度上升而降低。通过萘转化为A4 的转化率计算本工作中RP-3 的焦体转化率为：0.43%(575°C)、0.66% (600°C) 和0.81% (625°C)。

全球变暖是人类面临的主要挑战之一，为了减少CO₂ 排放，需要构建低碳/无碳、可持续的新型能源体系。氨具有优良燃料性质和无碳特点，并且易于液化和储存，在能源转型中具有发展潜力。但氨燃烧过程存在挑战，包括火焰不稳定和高NO_x排放等问题。本文综述了通过添加活性小分子、氢氨共燃、富氧燃烧技术、等离子体辅助燃烧和柔和燃烧等方案来改善氨的火焰定性和降低NO_x 排放。在面向燃机使用氢氨燃料时，氨燃烧火焰在高压下比较稳定，由于高压下燃烧强度增强，火焰更加致密，因此通过增加压力可以略微延长富、贫燃吹熄当量比。液氨在燃机中应用存在能量消耗和成本问题，但通过预热空气和共烧小分子燃料可以提高其喷雾火焰的稳定性。

为了解决限制锂二氧化碳电池性能的动力学和传输问题，该工作研究了微量空气-二氧化碳协同传输对电池性能的影响和强化传输的电池设计。基于精准控制的测试平台，揭示了微量空气协同传输可以将电池的放电平台提高140% 左右，并且改善二氧化碳反应动力学。通过一体化电极结构和双向电池结构设计，大幅提升气体传输面积。通过调节碳电极载量和优化运行电流密度，实现了约800 Wh/kg 高能量密度锂二氧化碳电池。

制冷–储热–供热综合热能系统是实现地热能商业化推广的重要模式之一，其核心部件地下埋管换热器的换热特性是影响整个系统运行性能的关键。为了探究该系统全年各阶段换热特性，本文建立了地埋管群换热数值模型，研究了管型、管径、井间距、布置形式等设计类因素对综合热能系统全年运行性能的影响。结果表明：W 型地埋管相较于单U 型管的储、取热量分别提升了3%、4%；增大管径有助于平衡土壤冷热负荷，但当管径大于0.032 m 后，提升效果不明显；在制冷、供热阶段进行地层储热可显著提升土壤的供热能力，50°C 储热相较于40°C 储、取热量分别提升25%、12%。研究结果可为以中浅层地热能为主要热源的综合能源系统设计、优化及运维提供理论支撑和技术支持。

为研究超临界二氧化碳(SCO₂) 在闭环地热系统中的取热特性及其影响因素，构建了U 型井中循环SCO₂ 开采干热岩的温度场模型，采用有限体积法对该模型进行数值求解，并通过现场实测数据验证了模型的准确性。在此基础上，对比研究了SCO₂ 和水介质在井筒中的传热规律，并对影响出口温度和采热功率的参数进行了敏感性分析。结果表明：SCO₂ 生产井与注入井之间温度差达到160°C 时，密度差会达到500 kg/m³，显著的密度差会产生密度驱动型热虹吸，提高传热效率；在相同注采压差下，SCO₂ 的出口温度和采热功率相较于水分别提升了19.8% 和28.8%；随着取热时间的增加，地层温度受影响的范围逐渐扩大，其影响半径最终达到约102.4 m；注入流量、温度、压力和水平段长度会显著影响取热效率；较大的注入流量会提高采热功率，但会降低出口温度；取热系统中存在一个最佳注入压力(16 MPa)，在该压力下出口温度和采热功率均达到最大值。本研究可为U 型闭环地热开采提供借鉴作用和理论参考。

高效经济回收燃煤电厂烟气中水分及热量是实现节能减排的重要手段。由于聚合物膜的低成本及高填充密度，本文采用亲水性中空纤维膜替换传统陶瓷膜，基于水蒸气冷凝渗透的热质传递原理，实现烟气热湿的跨膜输运。通过建立物理数学模型，对新型亲水性中空纤维膜冷凝器(HPMC) 的回收特性及经济性进行分析。结果表明，相同膜面积下HPMC 和亲水性陶瓷膜冷凝器(HCMC) 的回收性能接近。随着膜面积增加，HPMC 的单位膜面积水/热回收通量下降，但单位装置体积的水/热回收量提升。HPMC 的回收水成本比HCMC 至少下降93.5%，具有显著的经济价值。

格栅–颗粒复合堆积结构因其能够实现颗粒的快速有序堆积而备受关注。本文针对通道粒径比为1 的格栅–颗粒复合堆积通道，通过局部孔隙率分析和可视化实验，研究了流态转变特性。研究发现，堆积通道内不同位置的局部孔隙率存在差异，导致流态转变的水力雷诺数(Re_H) 不同，但凹坑结构对局部孔隙率的影响较小。以区域A 的流动特征为基准，光滑颗粒堆积通道中层流状态结束的Re_H 约为278.43，而凹坑颗粒堆积通道中为268.04；类似湍流状态开始的Re_H 在光滑和凹坑颗粒堆积通道中分别为358.89 和321.65。

受电动汽车空间尺寸的限制，为了保证锂离子电池的安全性，需要更简洁、轻量化的电池热管理系统。本研究设计了基于相变材料(Phase Change Material, PCM) 的圆柱形锂离子电池内外部冷却模型，验证了冷却设计的有效性和数值模型的准确性。从最高温度、最大温差和温度分布等角度系统评价了不同冷却方式、PCM 熔化温度、PCM 潜热和PCM 热导率对电池冷却性能的影响。结果表明，采用基于PCM 的内部冷却方式可以实现双向换热，降低了换热阻力，降低了温度梯度，使温度分布更加均匀。较高潜热的PCM 可以有效降低电池的最高温度，提高电池温度分布的均匀性。PCM 热导率对电池的最高温度和最大温差几乎没有影响，对电池冷却性能的提升较小。

水合盐相变材料因其具有高储能密度，高潜热，不易燃，价格低廉等优点，在热能储存领域有广阔的前景。然而，其腐蚀性、相分离和循环稳定性差等特性极大限制了实际应用。本文提出采用界面聚合法将Na₂HPO₄·12H₂O 封装在50 nm 左右的聚脲壳层中，成功制备出Na₂HPO₄·12H₂O@ 聚脲相变纳米胶囊(NanoPCM)。结果表明该相变纳米胶囊的相变焓为153.39 J/g，加热–冷却循环1000 次后相变纳米胶囊的焓值基本不变，无相分离现象，具有优异的循环稳定性，且在很大程度上解决了水合盐腐蚀金属的问题。

太阳能碳捕集与热化学燃料合成正成为应对全球能源危机和环境问题、实现“碳达峰、碳中和” 最具前景的可再生能源技术之一。然而，聚光驱动热化学反应面临着辐射能量集中、局部过热、能质流严重失配的难题，导致反应气转化与太阳能利用不充分。本文原创了摇摆式反应体系，仿真分析了内部多物理场耦合关联与协同演变特性，阐明了能质传递机理，厘清了碳捕集率与能量转换效率的控制因素，有望为光热反应器设计以及太阳能碳捕集与转化理论体系提供参考依据，为实现我国“双碳” 战略目标提供了技术支撑。

根据部分可观测信息反演传热系统的内部特征或热边界条件，构成了传热反问题。传热反问题广泛存在于能源动力工程、冶金工程、智能机械制造、生物医学工程及航空航天等科学技术领域。近半个世纪，传热反问题计算方法与应用研究十分活跃。文中概述了传热反问题应用研究进展，系统地阐述了传热反问题计算方法研究进展；提出了传热反问题计算方法与应用研究当前面临的挑战与未来发展方向，为推动传热反问题数值计算技术与应用的发展，让传热反问题研究为生产实践赋能，为工业数字孪生体构建，为我国数字化转型国家战略实施做贡献。

歧管式微通道因其高效的散热性能被广泛应用于高功率芯片散热等领域。在较高的热流密度下，歧管式微通道底部易出现气泡堆积现象，显著降低了散热性能。为解决这一问题，本研究通过计算流体力学方法对歧管式微通道内的气泡生长特性与流动换热特性进行研究，并采用等换热面积设计方法对微通道底部结构进行优化以改善气泡动力学行为。研究表明，优化设计的微通道结构能够显著缩短气泡生长和拉伸时间，促进气泡脱离，有效抑制了气泡堆积。气泡生长过程的有效调控使得通道壁面的传热性能得到提升，同时降低了装置底部平均温度，强化了装置的散热性能。该研究为歧管式微通道散热器的优化设计提供了理论依据。

基底表面曲率梯度驱动的液滴自输运行为调控在水雾捕集、油水分离等技术领域中具有广泛的应用前景。本文研究了竖直锥体表面液滴逆重力自输运行为，基于将液滴连续自输运过程离散为沿程的多个孤立润湿状态的数值计算方法，通过构建液滴自由能极小值计算方程，求解获得局部稳态液滴的气液界面形貌特征、界面自由能及自输运驱动力的沿程变化规律，并通过建立驱动力、重力与黏性阻力的经验平衡关系获得了液滴自输运动力学规律。研究结果表明：液滴界面自由能及自输运驱动力随自输运高度的增大而减小；液滴表面张力越小及体积越大，其自输运驱动力越大；基于液滴自输运动力学经验模型获得的液滴自输运速度沿程变化规律与实验结果的一致性较高。

精确测量气液流量已成为多相流量测量领域的一个难点。本文设计了一种新的动力驱动的旋流器设备，以自来水和空气为工质，对不同旋流器转速和气液流量下的节流压差、径向压差的变化特性与规律进行了研究。结果表明，随着两相流量的增大，节流压差单调增大，而径向压差在不同流型下呈现出三种不同的变化趋势，且在低气液流量下，提高旋流器转速拓宽了径向压差的稳定区间，从而获得更宽的测量范围。此外，本文引入滑移比和压差修正系数对分相流模型进行修正，建立了一种新的气液流量测量模型。在实验案例中，旋流器静态(转速为) 时装置测量的液相和气相误差分别为±3.2% 和±22%；而旋流器转速为600 r·min⁻¹ 时装置测量的液相和气相误差分别为±2.5% 和±9.6%。

CO₂-ECBM 工程具有能源开发和碳减排的双重效益，热–流–力多物理场耦合数值模拟是探究CO₂ 驱替CH₄ 的有效方式。本文通过改进表观渗透率模型，对热–流–力全耦合模型进行改进，提出并验证了考虑孔径变化的动态表观渗透率、气–水两相渗流、非等温竞相吸附、煤层应变的热–流–力全耦合模型，并针对主控参数做进一步研究。研究结果表明：表观渗透率受毛细孔和微裂隙尺寸、黏性流动、Kundsen 扩散、吸附气表面扩散共同影响。孔裂隙尺寸变化由储层内渗流过程和体积应变决定；储层内流动过程受气体压力和体积应变耦合作用，压力越高黏性流动对表观渗透率的影响越大。对体积应变影响从低到高依次是储层温度、混合气体压力、储层地质条件以及气体吸附/解吸。较高的CO₂ 注入压力对CH₄ 产出和CO₂ 封存具有正向作用。较高的煤层初始温度增加了CO₂ 气体吸附难度，驱替效果下降，CO₂ 封存量减少。

燃气轮机具有良好的调峰性能，常在偏离设计工况的部分负荷下运行，导致整机效率及透平冷却性能下降。为探究负荷变化对透平气膜冷却性能的影响，本文采用数值模拟方法，分析GE-E3 透平一级静叶在不同膨胀比(π) 和冷气压比(β) 下的叶栅气动性能及冷却效果。结果表明：π增大可提升叶片总效率，但过高会引起局部流动损失；β对整体效率影响较小。在不同π下，吸力面的气膜冷效高于压力面。气膜冷效随着β的增加先升高后降低，在β=1.05 时达到峰值。负荷调节过程中，需关注π 与β的匹配。

作为风机性能优越与否的关键指标，风机的噪声水平受到越来越多的关注。本文发展了一种关联全压和流量特性的后向离心式风机噪声快速经验预测方法，通过针对风机效率进行噪声级修正，提升了预测方法的预测精度，可实现风机降噪优化设计的快速迭代，该方法可以广泛应用于后向离心式风机的降噪设计。通过与某型风机的噪声试验结果及非定常数值仿真结果进行对比分析，验证了经验方法的准确性，并在此基础上完成了风机的降噪优化设计，结果表明风机噪声水平较原型风机显著降低，最高效率点附近A 声级降幅达6.2 dB。

风能热电联供机组是风能创新高效利用的形式之一，压缩机和发电机耦合运行导致机组载荷与风电机组和风热机组均有差异。为探究联供机组载荷特性，本文基于OpenFAST 与MATLAB/Simulink 仿真平台搭建风能热电联产机组模型进行联合仿真，获得机组相关载荷，并与同功率风电机组及风热机组载荷进行对比分析。经分析，风能热电联供机组在叶片y 方向、z方向以及轮毂x 方向的载荷均大于风电机组的相关载荷数据，且与风热机组的相关载荷数据相比有所减小。接入压缩机时载荷会明显增大且变化趋势与风热机组类似。

在光路受限的内流场领域，例如压气机叶栅实验，图像三维重构对于压力敏感涂料(Pressure Sensitive Paint, PSP)压力测量至关重要。图像三维重构过程的关键在于准确获取被测模型与相机之间的投影矩阵，而现有方法受限于特征点的数量和分布等。本文提出了一种基于轮廓匹配的直接线性变换法(Contour Matching-based DLT, CM-DLT)。该方法借鉴迭代最近点算法的思想，通过匹配图像轮廓和三维模型的重投影轮廓来优化投影矩阵，提高三维压力的重构精度。在基准实验中，研究了三维轮廓点云离散度、初始特征点噪声、数量和分布对CM-DLT 算法的影响。随后，将CM-DLT 方法成功应用于压气机叶栅PSP 实验，获得了叶片表面的三维压力分布。研究结果表明，减小三维轮廓点云的离散度有利于提高CM-DLT 算法的准确性。此外，CM-DLT 方法具有较强的抗干扰能力，能有效实现三维压力的精确重构。

为了实现宽攻角范围内涡轮叶型气动特性的快速、精准预测，本研究利用模型GAT-5 实现了基于小规模实验数据的宽攻角二维涡轮叶片的总压损失气动预测，并且使用该模型对验证模型进行预测，结果表明GTA-5 模型具有较高的预测精度。其中在30° 攻角处的预测中取得了接近实验数据的预测结果，这是本文使用的CFD 计算所达不到的。进一步利用GAT-5 模型与优化工具结合，得到的优化叶型虽然一定程度上增大了负攻角的叶型损失，但显著降低了正攻角的气动损失，因此该模型在拓宽涡轮叶型的宽攻角适应性的优化中具有较大的应用潜力。

加热器是常规高超声速风洞的重要部件，直热式电加热器内部一般由加热圆柱阵列组成，气流通过高温圆柱对流换热实现温度升高，其内部流动通常可以简化为加热圆柱绕流。本研究利用纹影和粒子图像测速法对串联双加热圆柱绕流流场展开实验研究。结果表明：低壁温时两圆柱间分离涡周期性脱落，壁温升高后第一圆柱后分离涡脱落位置后移并接近第二圆柱，当两圆柱间形成稳定回流区时，第二圆柱后的分离涡结构趋近于单圆柱绕流模式；壁流速较低时第一圆柱后分离涡规律脱落，流速超某一阈值时第一圆柱后分离涡突然消失，两圆柱间形成稳定回流区，此时第二圆柱后分离涡再次完整重现，并趋于单圆柱模式。

针对边界层吸入条件下S 形进气道和分布式涵道风扇之间的相互作用问题，采用基于体积力模型的方法进行数值模拟，研究了来流边界层厚度和涵道风扇转速对风扇气动性能的影响。结果表明：由于吸入来流边界层，两个边缘风扇的进口会形成旋转方向相反的单涡，而中间风扇一般会形成对涡。随着边界层厚度的增加，两个边缘风扇气动性能降低最多，气动性能的变化主要与旋流角的方向有关。当单一风扇处于非设计转速时，对相邻风扇的影响有限；当两个风扇处于非设计转速时，对相邻风扇的气动性影响相对较大。

采用数值方法对自循环机匣处理改善兼有堵塞和过载型失速转子的稳定性进行了研究。研究发现对于叶顶流场由叶顶泄漏流和吸力面流动分离共同恶化的转子，自循环机匣处理只有同时兼顾对吸力面流动分离和叶顶泄漏流诱发的低速流动区域进行抑制，其扩稳效果才显著。其中当抽吸位置覆盖叶片通道中堵塞最严重的区域时，扩稳效果最佳，转子的失速裕度改进量高达12.86%。扩稳机制的研究发现，自循环机匣处理的喷气效应可以改善叶顶进气条件，并对叶顶泄漏流进行抑制；而抽吸效应则可以抽吸叶顶区域的低速流动区，在喷气效应和抽吸效应的共同作用下，叶顶泄漏涡的破碎和吸力面的流动分离被抑制，叶顶流通状况得到改善而使得转子的气动稳定性得到提升。

本文通过数值模拟研究了旋流畸变流场特性及其对压气机性能的影响。设计了可调安装角的叶片式旋流畸变发生器。对比不同几何参数条件下的流场发现，畸变发生器的叶片安装角和支撑环位置分别改变了下游旋涡的强度和空间位置，进而对旋流畸变的强度造成影响。不同位置叶片安装角主要影响当地流场的旋涡强度，并通过对旋涡间的相互耦合对其它区域的流场造成一定影响。支撑环位置的改变使得涡中心位置随之移动。随后分析了畸变发生器旋流畸变对某跨音1.5 级压气机气动性能的影响，结果表明与均匀进气相比，旋流畸变导致稳定裕度相对减小了11.91%，但最高效率相对增加0.32%。进一步流场分析表明，旋流畸变主要改变了动叶进口气流角，从而造成稳定裕度衰减；而静叶总压损失减小使得效率有所增加。