项目名称：    复杂约束条件气液两相与多相流及传热研究

推荐单位：    教育部

项目简介：    本项目属动力工程及工程热物理学科领域。

气液两相与多相流动、传热传质及化学反应现象广泛存在于能源动力、石油化工和自然界等许多过程中。近20年来，本项目针对复杂管道内和瞬态、高参数、超临界及极端条件下的两相与多相流及传热特性缺乏系统深入认知，且少有可进行相应条件下实验的系列装备和技术等问题，开展了全面和系统的分析研究，通过自主创新、建立了一整套实验研究的装置和系统，开展了一系列高温高压气液两相流及传热、超临界水中多相流热物理热化学、复杂油气水多相流试验研究，获取了大量宝贵的实验数据，解决了许多复杂及极端条件下多相流实验手段的难题。

在上述工作基础上，开展了理论和实验层面的科学研究，揭示了各种管内高压水/水蒸汽流动及传热的系统规律，提出并发现生物质、煤及有机废弃物与超临界水的多相流连续混输和热化学气化的能源洁净转化新途径和原理，创建复杂管内油气水多相流动和混输规律、流动参数测量和控制的方法和理论，建立了两相与多相流动力学新的基本理论框架，取得重要科学成果和显著应用效益。

项目共发表论文200余篇，著作3部，其中国际期刊论文64篇、系列国际学术大会主旨和特邀报告10篇，SCI收录74篇，EI收录135篇，获授权国家发明专利3项、已公示4项。论著被Nature-Biotechnology、Chemical Reviews和Annual Review of Fluid Mechanics等64种国际期刊和大量中文期刊论文等他引共1018篇次，SCI引用230篇次、他引151篇次。他引论文作者有美英日德等数十个主要国家和地区的百余名著名学者；主持召开每4～5年一次的系列国际会议5次，协办他国召开的国际会议18次；担任5种国际、9种国内期刊编委和15个国内外学术组织负责人。项目研究产生了重要国际学术影响，促进了本学科快速发展。

主要发现点：  1.建立了各种管内高压水/水蒸汽流动与传热的规律，比较系统地提出和建立螺旋管多相流热物理的理论体系，发现两类新型气液两相流脉动及其规律，发现流动与传热脉动的反相效应，提出的第一张螺旋管高压气水两相流流型图等重要成果，被S Kakac、RK Shah、TN Veziroglu、KJ Bell等著名学者评价为该领域的先驱（Pioneer），受到广泛引用，解决了锅炉反应器及蒸汽发生器内极限传热和流动失稳预报的难题，直接应用于发展我国先进及特种能源动力系统，产生显著经济和社会效益；(代表作[2-6,10]；多相流动，工程传热传质学)

2.有别于能源转化和废弃物处理的常规方法不能完全消除污染和实现CO2零排放的现状，创新性提出并建立了生物质及煤、有机废弃物等碳氢化合物的超临界水多相流连续混输热化学气化的能源完全洁净转化新方法和原理，实现了从生物质模型化合物到原生质、煤和有机废弃物的多相流连续混输与在超临界水中的完全气化制氢，同时揭示了管内超临界水流动传热和超临界水中有机物完全气化制氢的多相流热物理热化学规律。首篇论文在Int J Hydrogen Energy发表三年来即被Nature Biotechnology、Chemical Reviews等著名期刊论文他引43篇次，产生重要影响，展示出从碳氢化合物完全洁净转化制氢的可行性和巨大潜力，开拓了多相流科学研究的新领域；(代表作[1]；多相流动理论，工程传热传质学)

3.揭示了复杂管内油气水多相流流型及其转变、段塞流的形成发展、相浓度和相速度分布等的系统规律，发明多种多相流特征参数测量技术及方法，建立了系统的管内复杂油气水多相流和混输的规律、参数测量和控制的方法和理论，提出全新的多功能耦合流型图、各种管内油气水多相流压降计算式和段塞流动力学模型及预报方法，为解决大型油气水混输管道内复杂多相流流型的分类判别、预报与管道及设备的设计和安全监测理论提供了科学依据；(代表作[7,10]；多相流动理论)

4.从上述复杂约束条件的具体特性中提炼出共性基础，构建了两相与多相流动力学新的基本框架体系，该体系由多相流中相场空间结构与相分布、界面现象、波动现象、颗粒相特性和可变形颗粒动力学、沸腾系统两相流及其不稳定性、以及两相与多相流数学建模及数值模化方法等六方面构成，揭示了多相流"相场空间结构与相分布不均匀性、状态多值性、过程不可逆性"等三大基本属性，在大量实验基础上，建立了关于气液两相与多相流动的相场空间结构及其转变、界面传递、波动、流动系统不稳定性、可变形颗粒运动和聚并及分裂、相分离和燃料电池多孔介质多维多相流等方面的一系列模型及数值方法，提出求解非线性问题的“时－空两层算法”及其收敛性与稳定性理论，运用非线性数学物理方法进行多相流相界面描述和模拟，揭示了相界面分形特征与相界面构形、参数、界面波动等之间的关系，发展了新的相界面参数统计预测模型，推动了两相与多相流动力学科学理论的建立和发展。(代表作[8-10]；多相流动理论)

主要完成人：  1.   郭烈锦

本项目学术带头人，总的学术思想、基本属性和理论体系的提出者，负责制定总体研究路线和落实各方面的工作计划，全面安排实施并具体研究和指导研究生、开展研究工作，是本项目主要发现点1，2，3，4的核心贡献者；投入本项目工作量约为80％。

2.   陈学俊

本项目学术带头人，指导研究生开展研究工作，是本项目主要发现点1，3，4的主要贡献者之一；投入本项目工作量约为70％。

3.   赵亮

本项目组主要研究成员，本项目主要发现点1，2的主要贡献者之一；投入本项目工作量约为90％以上。

4.   郝小红

本项目组主要研究成员，本项目主要发现点2的主要贡献者之一；投入本项目工作量约为90％以上。

5.   何银年

本项目组主要研究成员，具体承担并指导研究生开展两相流模型和数值算法的研究，本项目主要发现点4的主要贡献者之一；投入本项目工作量约为70％。

10篇代表性论文：  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.  两相与多相流动力学[M]