基于协同与耗散的宏观能质传输理论体系

主要完成人：刘伟、刘志春、隆瑞

能源是当今世界面临的最为紧迫的问题之一，降低工业能耗、提高能源利用率是全球关注的热点。我国的工业能耗占全社会总能耗的70%以上，单位产值能耗是世界平均水平的2倍，降低工业能耗对于实施国家“双碳战略”，确保国民经济可持续发展意义重大。为了提高能源利用设备的能效，不仅要减少设备的热耗，还要降低系统的功耗，以实现节能降耗的目标。为此，本项目旨在构建宏观能质传输统一方程组以及相应的理论体系，揭示能质传输的多场协同机制和能质耗散机制，发展耗散最小化多场协同能质传递强化理论和方法，为设计和研发高能效、低功耗工业能质传输设备提供理论依据。

为了描述能质传输中多物理场的协同机制，本团队在已有协同方程(1)的基础上，建构了如下关于热量、质量、功量和动能传输的协同方程组。式中，Nu、Sh、Eu、Eu_k、Re、Pr和Sc分别为努谢尔特数、舍伍德数、欧拉数、功耗欧拉数、雷诺数、普朗特数和施密特数，Li为本研究提出的无量纲数。

对于流场中任意流体质点P，热力学力▽T、▽C、▽p和▽u的相互作用表征了能质传输中场物理量的协同关系，如图1所示。根据能质协同方程(1)~(4)，将速度矢量U与温度T、浓度C、压力p、速度u的梯度之间的协同关系统一表达如下。式中，β角越小则流体传热的性能越好，γ角越小则流体传质的性能越好，θ角越小则流体消耗的机械功越少，α角越小则能质强化元件对流体产生的扰动越充分。协同关系式(5~8)表征了场物理量的协同机制，为能质传输设备提供了设计准则（其中(5)为已有关系式）。

图1、热力学力▽T、▽C、▽p和▽u的相互作用与协同关系

为了描述能质传输过程的能质耗散机制，本团队提出了如下关于热量、质量、功量和动能传输的平衡方程组。式中，q、J、ω和τ分别代表热流、质流、功流和动量流；h、m、w和e_k分别代表流体的热势、质势、功势和动能势；k(▽T)²/T、D(▽C)²/C、ζ(▽p)²/p和μ(▽U)²分别代表热量、质量、功量和动能传输的不可逆耗散损失。

根据能质平衡方程(9~12)，获得如下热量、质量、功量和动能的传输效率。式中，Q_l为流体的热耗散，Q为进入系统的热流，M_l为流体的质耗散，M为进入系统的质流，P_d为流体扩散功流所耗散的机械能，P_m为流体扩散动能时克服流体黏性所耗散的机械能，P为进入系统的功流或外界为流体提供的泵功。能质传输效率的表达式(13~16)为能质传输设备提供了性能评价准则。

为了揭示能质不可逆耗散的本质属性，本项目提出了关于能质传输的最小耗散原理和作用量等价原理，建立了热量、质量、功量传输不可逆性的熵产生、能质耗散、积耗散的数学表征（见表1），解决了不可逆耗散统一表征的学术难题，揭示了能质传输设备运行的稳定性机制，发展了非平衡态热力学的耗散理论和稳定性理论。

表1、热、质、功传输不可逆耗散的统一数学表征

综上，本项目建构了宏观能质输运的统一方程组(1~4)和(9~12)，并基于能质输运的协同和耗散特性，提出了描述宏观能质输运现象的理论体系。项目的主要创新点为：1、发现并揭示了能质传输中的多场协同机制，提出了能质传输的协同方程组，获得温度、浓度、速度和压力的协同关系，为能质传输设备提供了设计准则。2、发现并揭示了能质传输中的能质耗散机制，提出了能质传输的平衡方程组，获得热量、质量、功量和动能的传递效率，为能质传输设备提供了评价准则。3、提出了能质传输的多场协同原理和能质耗散原理，建构了基于协同和耗散的宏观能质传输统一方程组，为描述工程中的能质输运现象提供了理论基础。4、基于所建能质传输协同和耗散理论，创建了“混流均温减阻”能质传递强化方法，指导能质传输设备的研发，使得工程能质传输设备的能效提高了20%以上。

2022年以来，项目成果发表重要SCI期刊论文19篇，获发明专利4件，中国科学杂志社还专门为本研究在《中国科学 技术科学》上发表该理论体系的2篇文章配发了微信公众号新闻稿。该理论的部分成果曾获2020年度国家自然科学二等奖，2019年度湖北省自然科学一等奖，发表SCI期刊论文132篇，WOS核心合集他引4100余次，成果形成了国家标准1部，获授权发明专利14项。项目研发的高能效、低功耗、纵流式能量传输设备应用于国内近200家企业，包括拥有最先进的超超临界发电机组的电力企业，其中1000MW大型火电和核电机组闭式冷却设备102台，是中核集团出口巴基斯坦“华龙1号”核电机组配套的具有自主知识产权的大型能量传输设备，也是我国1000米以下煤层实现规模化开采的唯一大型散热设备，产生了重大的经济和社会效益。