卡诺电池(CB) 是可同时实现储电和余热回收利用的新兴储电技术。当前耦合余热卡诺电池(TI-CB) 仅在充电环节利用余热，余热利用不充分。本文提出一种全时段耦合余热的卡诺电池系统(DTI-CB)，通过将余热与有机朗肯循环(ORC) 耦合，实现余热与卡诺电池全时段高效集成，并对其热–经济性能进行评估。相比TI-CB 系统，DTI-CB 最高可提高95.67% 的发电能力和降低30.90% 的平准化度电成本；相比ORC 发电和CB 独立系统，DTI-CB 在高负荷条件下具有更高的热经济性优势。

土体导热系数是描述土传热性能的重要参数之一，对其准确地预测和敏感性分析有助于评估岩土工程的热响应热性，预防工程的变形和破坏。基于Kersten 团队的土导热系数试验，分析导热系数的影响因素，考虑将温度变量引入传统经验公式并验证，得到对黏土适用性较好的改进经验公式。基于人工智能算法对导热系数建立以土质、干密度、含水率和温度为输入变量的预测模型。分析预测结果表明随机森林模型、径向基函数神经网络(RBFNN) 和鲸鱼优化BP 神经网络(WOA-BP) 都能准确地预测导热系数，其中WOA-BP 的预测性能最好，随机森林和RBFNN 次之。选用新的样本集对预测模型进行验证，发现模型预测效果依旧很好，具有一定的泛化能力。利用蒙特卡洛模拟对改进经验公式进行参数敏感度分析；再借助随机森林模型对特征重要性进行排序，评估不同输入变量对模型输出的影响程度；最后通过权积法结合WOA-BP 计算影响因素敏感性。发现三种方法得出的结果均一致，即导热系数对含水率、干密度、温度和土质的变化敏感程度依次降低。

通过化学链方法使用氧载体中的晶格氧进行甲烷的部分氧化反应制合成气，可以实现高的产物选择性。本文采用溶胶凝胶法制备了氧载体La_1−xSr_xFe_0.8Al_0.2O₃ 用于甲烷化学链干重整反应，使用热重和固定床反应器对不同比例Sr 掺杂氧载体的反应性能进行测试。实验结果表明La_1−xSr_xFe_0.8Al_0.2O₃ 中x=0.4 的氧载体氧容量高达1.88 mmol·g⁻¹，反应性能优异，同时积碳量较少。进一步对氧载体La_0.6Sr_0.4Fe_0.8Al_0.2O₃ 进行了20 次循环稳定性测试，发现氧载体保持优异的氧化还原性能，实现了61.2% 的甲烷转化率，97.1% 的CO 选择性，1.81 的H₂/CO。氧载体的表征结果显示，反应前后氧载体的微观形貌以及晶相结构均未发生改变。本文的结果表明La_0.6Sr_0.4Fe_0.8Al_0.2O₃ 是适用于甲烷化学链干重整反应的高性能氧载体。

针对现有气膜冷却掺混损失评估方法无法准确计算通道二次流影响区域内的主流冷气掺混损失的问题，本文建立了一种全三维掺混损失计算方法，基于HS1A 涡轮导叶，在吸力面设置具有不同复合角的气膜孔以保证气膜冷却效率要求，进一步通过控制主流与冷气参数分析了损失机理。该评估方法以掺混熵增作为损失评估依据对不同模型进行分析，结果表明：在吸力面气膜孔设置分区域复合角在提升气膜冷却效率的同时将增加掺混熵增。通过设置复合角可以减少二次流引起气膜偏转的损失以及气膜脱离产生的损失。

多孔介质由于其表面积大、质量轻、通道复杂等突出优势，在能量转化、热管理与储能等领域发挥着关键作用。本文基于三周期极小曲面(TPMS) 方法定制了均一孔隙和梯度孔隙率W 型多孔结构(孔隙率ε=0.3∼0.5，水力直径d_h=1.33∼3.86 mm)，并建立多孔介质燃烧反应计算模型，研究了W 型多孔结构和SC-BCC 点阵结构内火焰稳定的范围，结果显示W 型结构的火焰吹脱极限更高(当量比φ=0.65，进口速度V_in=0.6∼2.2 m·s⁻¹)。在此基础上研究了孔隙率呈连续梯度变化的W 型孔隙多孔结构对燃烧与传热过程的调控规律，结果显示连续梯度孔隙结构可通过自适应的改变回热率，从而大幅拓宽火焰稳定范围。

篦齿封严是一种结构简单有效的封严技术，广泛应用于航空发动机中。本文采用数值模拟的方法研究了旋转对直通型篦齿封严结构流动换热的影响。研究的参数为Ta/Re 从0 变化0.1。所有的结果都是在雷诺数为6000，10000 和15000 时获得的。结果表明，在研究的范围内，旋转速度的增加会降低篦齿通道内的涡流损失和节流损失，从而导致泄漏系数增大；随着转速的增加，顶部壁面的换热增强而齿腔内的换热减弱。

建立了不同吹扫模式下碘化氢(HI) 分解膜反应器有限时间热力学模型，将吹扫气流率、反应进口压力、渗透膜厚度、反应器长度作为决策变量，以HI 转化率最大、H₂ 回收率最大、总熵产率最小为目标开展多目标优化。通过研究发现，在给定的决策变量变化范围内HI 转化率和H₂ 回收率最大两者具有一致性，但两者无法与总熵产率最小同时达到最优；相比顺流吹扫模式，逆流吹扫模式下Pareto 前沿目标值均具有较高的HI 转化率和H₂ 回收率。使用不同的决策方法选取最优解，顺流模式下的TOPSIS 决策点和逆流模式下的LINMAP 决策点具有较小的偏差因子可作为反应器参数设计最优解。

作为一种典型的大气污染物，VOCs 对大气环境及人体健康危害极大。VOCs 的高效清洁脱除是我国生态环境保护的重大需求，也是国家十四五规划的重要内容。本文基于我国经济发展的现状，总结了国内VOCs 的来源特征，国家、地方及行业的排放标准，分析了回收法和销毁法两大类VOCs 脱除技术的发展现状，提出了多方法结合的技术特征，并预测了未来VOCs脱除技术的优势发展方向。

统计和分析了2024 年度国家自然科学基金委员会工程热物理与能源利用学科自然科学基金的申请、受理、评审和资助情况。介绍了2024 年度学科面向加强“双碳” 目标在能源动力领域开展的战略研究与立项工作。介绍了学科2024 年度亮点资助成果和2025 年度工作展望。

当固体壁面间距仅有几个纳米时，纳米受限效应使得流体自扩散系数降低1∼2 个数量级，孔径、温度和压力的影响显著且复杂。分析受限流体扩散机理和规律，建立简洁的关联式具有重要意义。本研究从分子模拟出发，经过仔细计算和分析，获得了大量纳米孔隙中流体自扩散系数数据。分析了壁面吸附作用对流体扩散的影响机理和规律，提出了可简单描述流体扩散行为的无量纲扩散系数，从而与努森数建立相应关联式，具有较强的适用性。

针对化学回热燃气轮机循环发电效率较低和水耗偏大的问题，本研究提出了一种化学回注燃气轮机循环，即将燃气轮机的部分烟气回注至重整反应器，构建甲烷自热重整工艺，从而实现甲烷的高效转化。该技术实现了对燃气轮机烟气余热的提质，提升了循环出功。通过对燃料能量转化过程的改善及对系统换热过程的优化，在设计点工况下，新系统发电效率较化学回热系统提升了9.12%，且在低空压比和高燃气轮机入口温度的条件下体现出更良好的发电性能。经济性分析指出：系统经济回收期为2.3 年，具有良好经济效益。

共底贮箱是低温推进剂贮箱的理想形式之一，其两侧低温推进剂的无损贮存是亟待解决的关键技术。本文结合已搭建的液氧/液甲烷零蒸发共底贮存实验装置，建立了零蒸发共底贮存系统冷屏仿真模型。针对非稳态流动传热过程中温度的位变与时变特性，提出了温度离散系数，其相比不均匀系数更适用于评价非稳态流动传热过程中冷屏的热均匀特性。结果表明，采用蛇形盘管的冷屏在非稳态过程中具有良好的热均匀性，冷屏最大温度离散系数为3.85%。

采用数值模拟的方法研究液桥力的两个因素含水量和接触角对喷动床中湿颗粒的流化特性、颗粒温度和颗粒浓度的影响。研究表明流化颗粒的数量随着喷动床高度的增加而增加。当含水量为0 时，喷动床喷泉区域没有出现颗粒团聚的现象；当含水量的增加，Z 方向的流速先增大后减小，在喷泉区域出现明显的团聚现象。当接触角增大时，喷泉区Z 方向的流速先减小后增大，接触角为30^◦ 时流速最小。接触角越大，核心高温区域越靠近喷射区域。当接触角为30^◦ 时，颗粒运动阻力达到最大值，随气流从床层逸出的颗粒数量最少。

针对轴流涡轮通流设计求解过程复杂和对设计经验依赖多等问题，提出了一种展向等密流通流设计方法。以E3 涡轮为例论证该方法的优势。结果显示，通流设计与三维CFD 模拟的参数展向分布基本一致。新设计方案通过调整密流的展向分布削弱了第一级动叶根部的二次流损失，进而使涡轮效率提升0.5%。提出的通流设计方法在提升计算稳定性、降低时间成本和提高涡轮气动性能等方面体现出一定的优势，能够切实应用于轴流涡轮设计。

区域供热系统是协调可再生能源与传统能源并实现可再生能源灵活消纳的重要载体之一。考虑到可再生能源出力和用户集群热负荷的不确定性对区域供热网络动态输运过程带来的影响，需对源荷双侧的不确定变量和热网的动态特性进行量化分析。本文首先建立了热网的动态输运模型求解其热量损耗和传输延迟特性，其次应用Gram-Chalier A 算法计算系统源荷双侧节点热功率的概率分布半解析式，并采用贝叶斯可信推断计算节点热功率的概率区间。本文选取北京市某二级热网进行模型精度验证与案例分析，该系统拥有90 个节点和109 个管道，结果表明所提出的模型和所应用的算法能有效量化计算热网节点热功率的波动区间。

褐煤含水量高，直接燃烧发电存在效率低、投资大的问题。为此，本文提出了一种集成褐煤热泵预干燥的超临界二氧化碳循环发电系统，并建立了超临界二氧化碳循环发电系统和褐煤热泵预干燥系统的耦合计算模型，以某660 MW 发电系统为例，对直燃褐煤发电系统和褐煤热泵预干燥发电系统进行对比分析。结果表明：褐煤发电系统通过热泵干燥褐煤可以使系统发电效率提高1.44%，发电标准煤耗率降低8.06 g·(kWh)⁻¹； 分析发现，预干燥褐煤使得锅炉燃烧损降低高达4.47%，排烟耗散降低0.35%，从而使系统效率提高1.29%，燃烧损和排烟耗散降低是系统节能的主要原因；干燥机效率、褐煤干燥程度和热泵COP 越高，褐煤热泵预干燥发电系统节能效果越显著。

基于CaO/CaCO₃ 循环的热化学储能体系由于CaO 晶粒的烧结导致储能性能下降。本文从晶格能的角度为材料改性提供筛选标准，发现相结合的改性机制下的高价态金属氧化物能够提升储能材料的循环稳定性。以柠檬酸钙为CaO 的前驱体并添加10% 摩尔分数TiO₂ 的钙基材料，经15 次循环后有效转化率高达0.66，是未改性钙基材料的2.1 倍。在材料的制备过程中掺杂TiO₂ 后形成部分CaTiO₃ 的复合相，经改性后的储能材料表观粒径小且能够保持复杂的孔结构，抗烧结性能好。

西北地区拥有丰富的风光资源，近年来基于风光的新能源发电系统发展迅猛。然而由于生产力、人口等因素，西北地区的电力负荷低，加之新能源的随机、不稳定等特点，弃风弃光现象严重，有研究表明可以通过新能源发电耦合氢储能技术来解决问题。基于风光联合发电耦合电解槽制氢系统的概念和结构，以风光氢能源系统的制氢速率为研究目标，在MATLAB/Simulink系统下建立了包括风力发电系统、光伏发电系统以及电解槽的混合架构模型，通过此模型探明在西北地区自然环境下的氢气产出特性及规律。

含盐废水在有限通道内的喷射闪蒸–掺混蒸发(FME) 是实现深度脱盐的有效途径之一。本文以准饱和NaCl 水溶液为工质，在实验研究的基础上围绕FME 中液滴群的运动、蒸发、析晶过程建立了完整的计算模型。据此在液滴群初始粒径为20∼200 μm、初始温度为100∼120^◦C、初始盐质量分数为0.26、初始速度为20 m·s⁻¹，掺混热空气速度为15 m·s⁻¹、温度为100∼300^◦C，喷射角0^◦∼90^◦ 的范围内对FME 流场开展了数值模拟。结果表明：在喷射角从顺流掺混的0◦ 增大至横流掺混的90◦ 的过程中，晶体析出位置逐渐由喷射轴线处移至雾羽流场上部，使得析出晶体易于分离；随着喷射角、过热度或掺混风温的增加，液滴群的截面平均盐结晶质量分数增加，而平均粒径与析晶距离均减小。为衡量析晶效果，定义完全析晶效率为给定距离内液滴群结晶盐质量流量与喷嘴入口盐溶液所含溶解盐质量流量之比。结果指出：增加喷射角度或掺混风温是提高完全析晶效率的有效手段。提出了该完全析晶效率的半经验计算式，其计算值与模拟值的主体误差在±35% 之内。本文研究结果可为工业脱盐装置的设计和运行提供技术支撑。

作为㶲的衍生概念，能质和能量品位的应用近四十年来在热科学领域的实践中取得了巨大的成功，然而其概念和计算并未得到全面的厘定，相关应用的总结和归纳在文献数据库中也十分鲜见。本文基于文献调研，首先对能质和能量品位的概念历史发展进行了梳理，后对其概念计算方法及相关基准问题进行了说明，最后对该概念衍生的分析方法及其应用进行了介绍。另外，本文还对热力学语境下的能势概念进行了初步的整理。本文清晰展现了能质、品位和能势领域研究的历史和进展，有助于对相关概念的厘定和思考。

在节能减排与碳中和大背景下，燃气轮机燃烧室燃料逐渐向富氢方向发展。燃料掺氢后，燃烧过程更容易发生回火现象，需要对掺氢燃烧回火规律进行探究。本文选取了带钝体旋流预混燃烧室开展甲烷掺氢–空气的预混燃烧数值模拟研究，湍流模型采用SST k-ω 模型，湍流燃烧模型采用火焰面生成模型(FGM)；准确地计算湍流火焰速度对回火现象的预测非常重要，因此对进度变量输运方程中源项的封闭考虑了掺氢对层流火焰传播速度的影响。数值模型与方法得到了实验验证，并进一步探究了当量比、入口平均轴向速度、钝体壁面热边界条件对回火现象的影响。结果表明降低当量比、提高入口平均轴向速度以及增强壁面换热对回火现象具有抑制作用。本文所总结的回火规律对于掺氢燃烧室设计具有指导意义。

高功率电子芯片的安全运行需要高效的散热技术。流动沸腾换热由于高换热系数受到广泛关注。为精确模拟微通道内流动沸腾复杂两相流过程，本文提出了耦合VOF 方法的在相界面处迭代求解能量源项的相变模型。针对单微柱微通道内流动沸腾换热过程进行了数值模拟，分析了瞬态两相流过程及温度场演变规律，查明了热流密度及进口过冷度的影响机制。结果表明，由于局部蒸汽的覆盖，不同工况下微通道内流动沸腾存在热阻的转折点，高热流密度对应更高的气泡生长速度和成核面积，高过冷度会延缓转折点，但整体热阻将升高。

本文提出了一种基于聚光分频的太阳能定向制液态碳氢燃料系统，并对其进行了理论建模和热力学分析。该系统中，聚光太阳能被分频，一方面短波太阳光子被用于光伏发电，所产电能直接驱动质子交换膜电解槽电解制氢，为二氧化碳加氢制甲醇提供氢源，另一方面，长波太阳光子加热换热工质实现储热，为二氧化碳加氢反应提供热能并确保反应期间温度稳定，余热供海水淡化/自来水蒸馏、直接空气二氧化碳捕集等方式获取系统反应原料，从而实现全光谱高效梯级利用的太阳能驱动液态碳氢燃料定向制备。研究结果表明：标准AM1.5G 阳辐照条件下，砷化镓光伏板的温度为105°C 时系统可获得最大㶲效率，为23.40%，对应产氢量为2.84 L·min⁻¹，再循环二氧化碳加氢反应器压力5 MPa，反应温度220°C，碳氢比1 : 3 条件下，氢气转化率68.19%，甲醇产物选择性97.90%，对应甲醇产量为0.91 g·min⁻¹，太阳能制甲醇的燃料效率为6.08%。本研究为助力碳减排，促进碳中和提供了重要的技术方案。

超临界水气化技术(Supercritical Water Gasification, SCWG) 作为一种很有竞争力的制氢技术，在“双碳” 目标愿景下，积极探索与氢冶金的结合路线具有重要的现实意义。本文提出一种新的技术路线：在同一个反应釜内，超临界水气化制氢的同时，完成金属氧化物的还原，简化冶金流程。从热力学及实验两方面验证了该技术的可行性，在甘油质量浓度2%、5% 及10% 的超临界水气化氛围下，均能迅速还原制取Fe₃O₄、Cu 及MoO₂ 粉末；在甲酸质量浓度50%、60% 及70% 下气化均能实现蓝钨(WO2.9)、紫钨(WO2.72) 的制取，且在50% 质量浓度下，针状结构明显，较少结块。

替换SIFSIX 类杂化微孔材料的金属位点或有机配体可以合成大量具有不同孔径的化合物，TiF₆²⁻ 配体对CO₂ 吸附和电荷转移特性的影响机理尚不充分。本研究以此为背景在SIFSIX-3-Zn 的基础上将SiF₆²⁻的Si 原子替换为Ti 原子，构建了TiFSIX-3-Fe 和TiFSIX-3-Zn 模型，通过DFT 分析了TiFSIX-3-M(TiF₆²⁻ 为离子配体，M 为金属位点，M=Fe/Zn) 中CO₂ 在孔道内的吸附与电荷转移行为，计算了孔道内的CO₂ 吸附位点、能带结构、吸附能、差分电荷密度、Mulliken 电荷分布。研究结果表明：TiFSIX-3-Fe 和TiFSIX-3-Zn 具有更小的孔道体积，分别为1.26×10⁵ nm³ 和1.22×10⁵ nm³。Ti 原子加入改善了TiFSIX-3-Fe 的能带结构，但对TIFSIX-3-Zn 影响不明显。Ti 构建的两种模型的吸附能最高分别为−0.356 eV和−0.361 eV。差分电荷密度表明电荷从F 原子附近向C 原子转移，结合Mulliken 布居分析得到构型中电荷转移数量分别增大至0.072 e 和0.075 e，TiFSIX-3-Fe 和TiFSIX-3-Zn 的CO₂ 吸附和电荷转移特性显著增强。本工作为开发具有高效CO₂捕集能力的杂化微孔材料提供了理论指导。

热泵供暖技术能够有效减少燃煤取暖产生的能源消耗和环境污染，但目前常用的热泵供暖系统的低温适应性较差，难以满足寒冷地区的供暖需求。考虑到斯特林热泵技术具有十分广泛的可用温区，本文研制了一台电驱动自由活塞斯特林空气源热泵，旨在考察其在不同气候条件下的供热性能。实验结果表明，在普通、寒冷和极寒地区供暖工况下，电驱动自由活塞斯特林热泵的整机制热性能系数分别达到了2.31、1.97 和1.78。随泵热温差增大，斯特林热泵的相对卡诺效率逐渐升高，其在大泵热温差下优势更加明显。

将直接空气碳捕集(Direct air carbon capture, DAC) 与可再生综合能源系统(Integrated energy system, IES) 结合，是实现区域碳中和的有效途径。合理的配置方法是系统稳定、灵活、经济与零碳的前提。常规配置方法无法反映DAC 吸附、解吸的动态CO₂ 传质特性以及能耗特征差异，导致非最优或不可行的配置方案。为此，本文构建了面向配置的DAC 模型以反映其动态运行特性，在此基础上以包含投资成本、运维成本、可再生能源削减惩罚以及负碳排环境效益的年总成本为目标函数，建立DAC-IES 配置模型，获得各设备的最佳容量与协同运行策略，揭示间歇波动供能背景下DAC 的灵活运行机制。案例分析验证了所提出的配置方法的有效性与优越性。结果同时表明，DAC 系统灵活运行能够实现与可再生能源更好地协调与更经济地碳捕集。

为了研究进气总温畸变对轴流式跨音压气机性能和稳定性的影响，以达姆施塔特跨音压气机为研究对象，针对不同周向范围的总温畸变区进行了冻结转子法稳态和瞬态转静法非稳态的三维全环数值模拟研究。结果表明：在设计转速条件下，高温畸变区的周向范围越大，冻结转子法稳态和瞬态转静法非稳态计算结果的差距越小；在高温畸变区周向范围为180^◦ 时，通过对最高效率工况点的内部流场分析，发现冻结转子法稳态计算无法准确捕捉畸变区的周向偏转；高温畸变区的周向范围较大时，平行压气机理论模型对近失速工况点的预测值更接近非稳态计算结果；通过对非稳态时均结果进行轨道法分析，发现高温畸变区的周向范围越大，不同周向位置处的转子叶片的运行特性差异越大。

对于未来的深空探测任务，低温发动机通常需要多次启停。发动机启动前需要使用低温推进剂对管路进行预冷。对于低温上面级，也存在类似的预冷需求。管道预冷过程中推进剂消耗量与预冷时间相互矛盾，需要统筹权衡。有必要开展预冷特征研究并探寻高效预冷方式。针对管道预冷，分析了不同管道壁面过热度下典型换热机理，建立了非稳态仿真模型。仿真结果与NASA 液氢管道预冷实验结果吻合良好，能够较好地反映液氢预冷过程中的壁面温度特征。预冷过程中，存在明显的气液夹带及液氢浪费。由于核态沸腾与膜态沸腾的共存，在壁温115 K 左右可能出现预冷壁面热流密度的峰值。管壁径向热阻在预冷仿真中不可忽略。适时采用阶梯式预冷，可以显著降低液氢消耗。