為充分展示能源與動力工程系2025年度科研工作進展，集中呈現(xiàn)學科領(lǐng)域創(chuàng)新性突破與標志性成果，強化科研成果的宣傳推廣與轉(zhuǎn)化應(yīng)用，激發(fā)師生創(chuàng)新活力、營造良好學術(shù)氛圍，能源與動力工程系組織開展“能源與動力工程系2025年度亮點科研成果”評選活動。以下11個成果進入師生投票環(huán)節(jié)，成果展示為隨機順序，不分先后。誠摯邀請您為認可的成果投票！

投票方式：

請選出您認為最具突破性和創(chuàng)新性的3-5項成果，并在文末參與問卷星投票。

投票時間：

2025年12月29日-2026年1月5日

成果01

7N級超純氫制取與示范應(yīng)用

成果簡介：

高純/超高純H是我國芯片半導體行業(yè)（電子特氣）所必需，關(guān)乎中美交鋒核心領(lǐng)域。高效H制取與凈化是工業(yè)氣體中上游核心技術(shù)，是實現(xiàn)H高純安全供應(yīng)的基礎(chǔ)?；诿芏确汉碚?DFT)通過分子動力學模擬(AIMD)解釋LaNi失活因素，據(jù)此提出增加Al配比、表面氟化、升溫運行以增強對CO、HS雜質(zhì)耐受，據(jù)此合成了LaNi4.3Al0.7合金氫氣直接吸附吸附劑，可以從各類貧氫-富氫場景選擇性吸附氫氣。重構(gòu)了單塔-雙碳-四塔氫氣直接凈化分離新工藝實現(xiàn)了氫氣純度≥99%、氫氣收率≥93%雙高，進一步提出中溫氫氣吸附耦合鈀膜分離溫場協(xié)同制取超純氫，設(shè)計建設(shè)了氫氣直接吸附-膜分離高效聯(lián)合提純設(shè)備，于深圳燃氣、成都博能氫能科技公司開展了管網(wǎng)摻氫（摻氫10~15%）末端氫氣提純示范，實現(xiàn)了氫氣純度99.99999%(7N)，達到電子特氣品質(zhì)；實驗驗證了設(shè)備壽命大于8000小時。該成果被評價為“突破了鑭鎳鋁氫氣直接吸附劑中溫耐毒機理、成型、工藝與裝備一體化技術(shù)，與鈀膜分離溫場協(xié)同實現(xiàn)了超純氫純化”，為從低濃度混合氣中高效提取超高純電子級氫氣提供了新實踐路徑。

成果02

跨尺度多相介質(zhì)空化與空泡動力學

成果簡介：

本年度，團隊圍繞“跨尺度多相介質(zhì)空化與空泡動力學”開展系統(tǒng)研究，在以下三個方向取得重要突破：

一、微觀界面穩(wěn)定性機理

研究揭示了親水性粗糙鋼表面納米氣泡的形貌與基底幾何形貌之間的關(guān)聯(lián)性，突破了傳統(tǒng)理論對納米氣泡在親水表面行為的認知局限，為理解實際浸潤性條件下氣核的生成與穩(wěn)定機制提供了關(guān)鍵實驗依據(jù)，對微納界面設(shè)計與調(diào)控具有重要科學價值。

二、空化泡-顆粒相互作用機理

在空化與多相流動力學方面取得兩項重要進展：一是首次闡明了邊界層流動對空泡誘導壁面顆粒運動行為的關(guān)鍵調(diào)控作用，揭示了近壁區(qū)顆粒起動的流固耦合機制；二是發(fā)現(xiàn)了非對稱渦對中重慣性顆粒的動態(tài)“捕獲-泄漏”競爭規(guī)律，深化了復(fù)雜渦結(jié)構(gòu)輸運顆粒的理論認知。這些成果為工業(yè)設(shè)備中的顆粒沉積控制與表面防護提供了新原理。

三、極端條件空化行為的主動調(diào)控與應(yīng)用拓展

團隊提出利用表面微結(jié)構(gòu)調(diào)控空泡潰滅形態(tài)與射流方向的方法，實現(xiàn)了對高能空蝕破壞的可控疏導，為水力機械抗空蝕設(shè)計開辟了新途徑。同時，通過系統(tǒng)解析離心血泵啟動過程的多相流動特性與血液相容性，推動了空化動力學與生物醫(yī)學工程的學科交叉，為高端醫(yī)療器械的研發(fā)提供了重要科學支撐。

成果03

46MW大容量單級單吸立式離心泵

成果簡介：

本成果依托環(huán)北部灣廣東水資源配置工程地心泵站工程，針對特大流量離心泵葉輪與導葉設(shè)計不匹配導致流動損失大、葉輪-蝸殼動靜干涉導致壓力脈動強、葉輪狹窄流道制造和運行狀態(tài)監(jiān)測難等行業(yè)技術(shù)難題，采用理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗、制造工藝、監(jiān)測技術(shù)等手段開展了系統(tǒng)研究，研發(fā)了46MW大容量單級單吸立式離心泵（世界最大容量），形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的特大流量高揚程立軸離心式水泵成套技術(shù)。創(chuàng)新點如下：

（1）發(fā)明了葉輪出口流體環(huán)量衰減的離心泵水力設(shè)計方法，推導了無葉區(qū)環(huán)量分布的解析解，突破了葉輪出口和導葉進口等環(huán)量假設(shè)的局限，為顯著提升離心泵效率奠定了理論基礎(chǔ)。

（2）發(fā)明了長短葉片、S型出口仿生葉輪，大幅降低了葉輪出口空間流動不均勻誘導的高壓力脈動，減小了水力損失，提高了離心泵運行穩(wěn)定性。

（3）發(fā)明了分鑄成型-整體組焊水利工程葉輪制造技術(shù)、水壓端面自平衡式主軸密封結(jié)構(gòu)，研制葉片表面水壓非接觸同步監(jiān)測系統(tǒng)和靜動平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實現(xiàn)葉輪無裂紋、葉輪零配重、主軸無泄漏和內(nèi)流場實時監(jiān)測。

研究成果入選2025年國家能源局首臺（套）重大技術(shù)裝備名單，并預(yù)計2026年投產(chǎn)運行。其成功研制與應(yīng)用，標志著我國在大型離心泵自主設(shè)計與制造領(lǐng)域取得重大突破，打破了國外長期的技術(shù)壟斷，填補了國產(chǎn)高端大泵的空白，保障了國家重大工程核心裝備的自主可控。

成果04

高負荷壓氣機及壓縮系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)

成果簡介：

（1）方法體系構(gòu)建：提出了通流/CFD一體化優(yōu)化設(shè)計方法，搭建了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法的葉片氣動優(yōu)化設(shè)計平臺。構(gòu)建了涵蓋全流道特征的高負荷壓氣機參數(shù)化方法體系，發(fā)展了基于中弧線+厚度分布的葉型參數(shù)化方法、端區(qū)圓弧偏移的積疊線參數(shù)化方法、葉型前/尾緣端彎參數(shù)化方法及基于自由變形的多型面一體參數(shù)化方法，實現(xiàn)了物理特征與幾何參數(shù)變量關(guān)聯(lián)，將傳統(tǒng)經(jīng)驗設(shè)計轉(zhuǎn)化為可追溯的數(shù)字化流程，為新一代高負荷壓氣機的智能設(shè)計奠定方法基礎(chǔ)。

（2）預(yù)測模型完善：針對現(xiàn)代高負荷壓氣機復(fù)雜寬工況研究需求，基于S1流面受力分析，構(gòu)建了考慮激波影響的落后角修正方法，提出了一種跨音動葉落后角模型，發(fā)展了適用于低雷諾數(shù)工況的損失、落后角及堵塞模型，提高了通流方法對跨音工況和低雷諾數(shù)工況性能的預(yù)測精度。

（3）工程方案設(shè)計：技術(shù)應(yīng)用于專項300MW壓氣機優(yōu)化設(shè)計，改善了跨音動葉流動性能、抑制分離，提高了跨音多級壓氣機設(shè)計工況效率>0.3%；應(yīng)用于某重大裝備研制項目多臺壓氣機串并聯(lián)增壓系統(tǒng)，建立了多臺壓氣機串并聯(lián)系統(tǒng)通流匹配分析方法，揭示轉(zhuǎn)速、可調(diào)導葉、管路閥門等匹配機理，提出了多參數(shù)協(xié)同運行窗口，優(yōu)化了系統(tǒng)匹配運行效率，提出了多臺壓氣機同步啟停運行控制策略，支撐了該增壓系統(tǒng)設(shè)計分析與運行控制；應(yīng)用于東汽某型號燃機壓氣機設(shè)計，通流設(shè)計方案14級設(shè)計點壓比達20.4、效率≥88%。

（4）科學價值：高負荷壓氣機及壓縮系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)為重型燃氣輪機、壓縮空氣儲能等應(yīng)用場景提供了關(guān)鍵支撐，實現(xiàn)了高效高負荷壓氣機的完全自主化設(shè)計能力，其核心性能指標已達到國際先進水平。

成果05

高溫極端工況下動力裝備的智能冷卻解決方案

成果簡介：

針對動力設(shè)備中極端熱負荷的挑戰(zhàn)，揭示了諸多場景中湍流各向異性對熱部件中近壁冷氣輸運的控制機制，融合該機理機制和多源數(shù)據(jù)采用人工智能方法發(fā)展了物理信息嵌入的智能代理模型，提出了近壁射流冷卻的智能化優(yōu)化方法，將冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計迭代周期縮短至原來的幾十分之一，搭建的智能冷卻設(shè)計優(yōu)化平臺能應(yīng)對數(shù)千開爾文的高溫冷卻問題。該成果獲得了20項專利、5項軟件著作權(quán)和110多篇論文，2025年獲得德國紐倫堡國際發(fā)明展銀獎。

成果06

超聲速射流激波剪切層作用機理及二氧化碳熱泵技術(shù)

成果簡介：

利用超聲速流體的射流引射摻混作用，可實現(xiàn)增壓輸運、流體混合和節(jié)流降溫等調(diào)控過程，被廣泛應(yīng)用于航空航天、制冷熱泵、燃料電池等領(lǐng)域。本團隊以激波-剪切層干涉作用機理為核心科學問題，建立了受限空間內(nèi)超聲速射流激波全新理論描述體系，深入揭示了激波發(fā)展規(guī)律及激波-剪切層作用機理，發(fā)展了基于引射作用的多過程流動調(diào)控方法；在噴射器節(jié)流、蓄熱能量暫存與利用以及系統(tǒng)集成與調(diào)控方面取得了重要原創(chuàng)性成果；研制了10~300kW跨臨界二氧化碳熱泵系統(tǒng)。成果在我國新一代液體火箭發(fā)動機預(yù)冷方案設(shè)計和工程中得到成功應(yīng)用，在中石油、美的集團、東方電氣、濰柴動力落地應(yīng)用。相關(guān)研究成果發(fā)表于J. Fluid Mech.、J. Comput. Phys.、Applied Energy，獲2025年中國工程熱物理學會自然科學一等獎、2025年中國節(jié)能協(xié)會技術(shù)發(fā)明特等獎。

成果07

空天動力超臨界CO冷卻與發(fā)電一體化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

成果簡介：

本成果面向新一代水平起降超高速飛行器動力系統(tǒng)的熱防護和電力缺口問題，創(chuàng)新提出基于超臨界CO布雷頓循環(huán)的熱防護和熱利用一體化設(shè)計思路，建立了主動冷卻/發(fā)電系統(tǒng)與發(fā)動機集成方案，攻關(guān)突破了超臨界CO換熱器等關(guān)鍵部件設(shè)計與研制技術(shù)，研制了傳熱功率密度達38.5kW/kg的高熱重比超臨界CO-燃油換熱器，較國際公開報道的最高水平提升約35%。創(chuàng)新運用超臨界CO循環(huán)技術(shù)將飛行器來流和發(fā)動機壁面的高溫熱能轉(zhuǎn)化為電能，完成了系統(tǒng)方案設(shè)計與原理實驗驗證，在實現(xiàn)主動冷卻的同時有效滿足平臺電力需求。該成果為未來超高速水平起降飛機、先進陸空兩棲平臺等裝備的能量管理提供了創(chuàng)新方案。相關(guān)研究成果發(fā)表于Applied Energy、Energy、Advanced Materials

成果08

煤礦風排瓦斯高效催化氧化技術(shù)

成果簡介：

甲烷是全球第二大溫室氣體，煤炭開采占我國甲烷排放總量的30%以上，如何高效率、低成本處置煤礦超低濃度風排瓦斯（<0.5 vol%）成為亟需攻克的難題。本技術(shù)提出采用流態(tài)化催化氧化方法（FCO）耦合經(jīng)濟高效礦石/固廢基催化劑對風排瓦斯實現(xiàn)規(guī)?；幹?，設(shè)計篩選出以礦石為原料的甲烷轉(zhuǎn)化催化劑，T90<550 ℃；在此基礎(chǔ)上首次建成了10000 m3/h處理量的FCO中試平臺，完成了72小時連續(xù)穩(wěn)定運行，驗證了技術(shù)可行性。經(jīng)山西省科技廳創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)服務(wù)中心組織專家鑒定，認為成果達到國際先進水平。成果的主要創(chuàng)新點如下：

（1）將工業(yè)固廢/礦石原料用于規(guī)?；苽浯呋瘎?，成本與傳統(tǒng)蓄熱式催化氧化技術(shù)使用的催化劑有顯著降低，首次建成萬方級流態(tài)化催化氧化中試平臺并實現(xiàn)穩(wěn)定運行；

（2）充分利用循環(huán)流化床優(yōu)異的傳熱傳質(zhì)特性，將廉價的固廢/礦石基催化劑顆粒作為床料實現(xiàn)蓄熱和催化雙功能，最大限度避免傳統(tǒng)蓄熱式固定床催化氧化反應(yīng)器中的局部過熱風險，降低因燒結(jié)、積碳、表面污染等引起的催化劑失活；

（3）易于放大，適合于大風量氣體處理。流化床技術(shù)成熟，在煤電、化工等領(lǐng)域具有成熟的大型化運行案例，對瓦斯風量及濃度具有良好的波動適應(yīng)性。

在我國大力開展甲烷排放控制和煤礦風排瓦斯規(guī)模化處置技術(shù)缺乏的宏觀背景下，該技術(shù)的推廣應(yīng)用有望實現(xiàn)大規(guī)模超低濃度瓦斯氣體的排放控制，為我國煤礦低碳轉(zhuǎn)型提供重要的技術(shù)支撐。

成果09

靈活循環(huán)流化床發(fā)電技術(shù)

成果簡介：

理論突破：揭示了循環(huán)流化床（CFB）鍋爐變負荷過程中恒溫動態(tài)熱質(zhì)傳遞本質(zhì)，掌握了CFB鍋爐能量積蓄、傳遞與調(diào)控機制，打破了傳統(tǒng)上對CFB鍋爐熱慣性大導致啟動速度慢、負荷變化速度慢的固有認識，拓展了CFB鍋爐靈活性潛力的認知邊界。

技術(shù)創(chuàng)新：研發(fā)了鍋爐蓄能技術(shù)和基于燃燒-循環(huán)干預(yù)的負荷調(diào)節(jié)技術(shù)，發(fā)明了CFB鍋爐長周期壓火熱備和快速變負荷相關(guān)裝置，攻克了煤電機組超低蒸汽流量連續(xù)穩(wěn)定運行、無輔助能源快速變負荷、全負荷污染物排放控制等系列難題。

工程引領(lǐng)：技術(shù)應(yīng)用于多臺300MW級亞臨界及超臨界CFB煤電機組，相關(guān)技術(shù)指標突破了目前國家最好水平。第三方測試結(jié)果表明，汽輪機不解列、不依靠外部輔助能源及燃料條件下，機組近零電功率輸出旋轉(zhuǎn)備用時間超過2小時（長周期壓火）；結(jié)束壓火狀態(tài)后，無需投油助燃即可快速啟動，啟動過程中機組連續(xù)爬坡速率超過3.5%Pe/min（快速再啟）；純凝工況無儲能和無輔助能源條件下，機組高負荷區(qū)（50%-80%）、低負荷區(qū)（30%-50%）連續(xù)平均升/降負荷速率分別超過4.0%Pe/min、2.7%Pe/min（快速變負荷）；全過程塵硫氮污染物排放小時均值滿足超低排放要求。

科學價值：積極響應(yīng)了《新一代煤電升級專項行動實施方案（2025—2027年）》的技術(shù)要求，為提升風光等可再生能源消納能力、保障電力系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行、構(gòu)建清潔低碳安全高效能源體系提供了堅實支撐。

成果10

基于AI的環(huán)境氣體性質(zhì)對LIBS信號影響規(guī)律研究

環(huán)境氣體性質(zhì)對LIBS信號影響的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu)圖

成果簡介：

激光誘導擊穿光譜（LIBS）技術(shù)因其無需樣品預(yù)處理、實時多元素檢測、可遠程測量等優(yōu)勢，被譽為化學分析的“未來之星”。然而，LIBS的信號源是時空劇烈波動的激光誘導誘導等離子體，其特性受環(huán)境氣體的劇烈相互作用影響。因此，理解環(huán)境氣體性質(zhì)對LIBS信號的影響規(guī)律對于等離子體，對于改善LIBS信號質(zhì)量進而提高LIBS定量性能至關(guān)重要。傳統(tǒng)的研究方法通過控制每個氣體性質(zhì)（分子量、比熱容比、電離能等）獨立變化，研究其對LIBS信號的影響。然而，由于氣體種類有限、氣體性質(zhì)眾多且性質(zhì)之間存在復(fù)雜耦合，難以通過實驗手段控制環(huán)境氣體性質(zhì)發(fā)生獨立變化。

本成果摒棄傳統(tǒng)“控制變量”實驗法的思路，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立環(huán)境氣體性質(zhì)和LIBS信號的映射關(guān)系。先通過大量混合氣體實驗建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，再建立Kolmogorov-Arnold Network (KAN)網(wǎng)絡(luò)模型，該模型在保持高精度的同時，具有更好的簡潔性和可解釋性，更適用于挖掘物理量之間的映射關(guān)系。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型從數(shù)據(jù)中學習內(nèi)在規(guī)律，最后通過構(gòu)造模擬數(shù)據(jù)實現(xiàn)單一變量的控制，從而剝離出每個性質(zhì)的獨立影響。結(jié)果表明比熱比對信號強度的影響最大，電離能次之，分子量、導熱系數(shù)和粘度影響較??；比熱比對信號RSD的影響最大，電離能和分子量次之，導熱系數(shù)和粘度影響較小?；诖私Y(jié)果，進一步從激光-樣品-等離子體-環(huán)境氣體之間相互作用過程的角度解釋了氣體性質(zhì)對信號強度和RSD的影響機理。

成果發(fā)表在《Analytical Chemistry》上，首次在LIBS及光譜領(lǐng)域?qū)⑷斯ぶ悄軕?yīng)用于復(fù)雜物理機制探究而非單純定量分析，并通過構(gòu)建傳統(tǒng)實驗方法無法獲取的完整數(shù)據(jù)集，為人工智能在復(fù)雜物理關(guān)系探索中的應(yīng)用開創(chuàng)了新的范式。

成果11

湍流多尺度結(jié)構(gòu)相互作用的研究

成果簡介：

發(fā)展湍流和兩相流動力學的統(tǒng)一理論，是《Science》雜志列出的125個最重要但尚未解決的前沿科學問題之一。與此同時，含相變的多相湍流和含高聚物的復(fù)雜湍流流動，作為湍流多尺度結(jié)構(gòu)相互作用的核心內(nèi)容，也被《中國力學2035發(fā)展戰(zhàn)略》列為關(guān)鍵科學問題。針對這類問題，本年度孫超團隊在含相變和含高聚物的多相湍流系統(tǒng)中對相變的統(tǒng)計特性和湍流結(jié)構(gòu)展開了系統(tǒng)性研究。在含相變行為的多尺度湍流研究方面，通過可控實驗、精細理論建模和直接數(shù)值模擬相結(jié)合，揭示了多孔海冰向致密冰層轉(zhuǎn)變的長期演化過程，闡明了擴散排鹽主導的海冰老化機制，并提出了海冰演化的三方程預(yù)測模型。在含高聚物的多尺度湍流研究方面，發(fā)現(xiàn)了粘彈性流體從彈性湍流向彈慣性湍流連續(xù)轉(zhuǎn)變的物理過程，量化了彈性應(yīng)力和慣性對角動量輸運的貢獻，建立了描述從彈性不穩(wěn)定性到彈慣性不穩(wěn)定性的連續(xù)轉(zhuǎn)變的理論模型。相關(guān)研究工作發(fā)表于PRL、PNAS、JFM等高水平期刊，其中海冰老化工作入選編輯推薦，并得到了美國物理學會（APS）旗下的物理雜志（Physics Magazine）的特別報道，被評價為“可以增強氣候模型的預(yù)測能力”。該系列工作突破了學科認知邊界，為優(yōu)化管道運輸、水下航行器減阻、跨介質(zhì)航行器設(shè)計等工業(yè)應(yīng)用提供了理論依據(jù)，對深入理解全球氣候變化和冰凍圈演化等地球物理過程具有重要意義。

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編輯｜宋婷婷

審核｜麻林巍

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