《工程热物理与能源利用学科发展战略研究报告（2021～2030）》是国家自然科学基金委员会工程与材料科学部的学科发展战略研究报告之一。这一系列研究报告是国家自然科学基金委员会工程与材料科学部为不断促进本领域的基础研究工作而精心组织出版的系列学科发展战略研究报告，旨在瞄准国际学科发展前沿，面向未来国家经济建设和社会发展的重大需求，着力解决我国工程与材料领域中的重要科学和技术基础问题，增强国家原始创新和技术创新能力。
《工程热物理与能源利用学科发展战略研究报告（2021～2030）》站在国家利益和学科总体的高度，综合考虑国际学术发展动向和中国实际，论述了工程热物理与能源利用学科的内涵、战略地位以及各分支领域的界定，详细分析了各分支领域，包括工程热力学、热机气动热力学、传热传质学、燃烧学、多相流、可再生能源等的国内外研究现状、发展趋势及科学问题，进一步明确了我国工程热物理与能源利用研究中的近、中期发展方向和目标，拟定了2021～2030年的优先发展方向、资助领域和发展思路。

第1章总论
　　1.1概述
　　工程热物理与能源利用学科是一门研究能量和物质在转化、传递及其利用过程中基本规律和技术理论的应用基础学科，传统研究主要针对热和功的能源形式，学科范畴已扩展到几乎涵盖各种能量形式、能质相互转化和有效利用的方方面面。本学科的任务是在自然科学和热物理基本规律的基础上，综合相关学科（包括数学、物理、化学、生物、信息、认知、社会科学等）基础科学的新理论、新方法，认识和揭示能量物质转化、传递的基本现象和规律，全面深入地分析能量与物质转化、传递的物理过程特性，建立物理数学模型，探究有效利用的基本规律及其应用的科学途径，为有关高新技术发展及工程问题解决提供理论依据、设计方法和技术手段，借鉴、应用各科学技术领域的先进思想、方法和技术，不断创新能量物质转化、传递和高效利用的应用技术。
　　工程热物理与能源利用学科是一个体系完整的应用基础学科，包括工程热力学、内流流体力学、传热传质学、燃烧学、多相流、可再生能源利用，以及和工程热物理与能源利用领域相关问题的基础性与创新性研究。随着对学科认识的不断提高，学科内涵和研究内容不断丰富。先进的科学理念和基础科学的*新进展，带动了科学和技术的进步，人们开始从以热机为源头的工程热物理与能源利用学科范畴突破，引进了新的能质转换思维，发展新的基础理论。近年来拓展衍生出众多前沿热点领域与方向，如温室气体排放控制、可再生能源利用、微纳米热物理、微细能源系统和原理、生物与生命热物理、生态与环境安全热物理等，涉及自然世界能质相互作用与转化的基本内涵和基本规律等科学探索。
　　人类目前面临能源和资源短缺、环境污染、气候变化等全球性问题，工程热物理与能源利用学科将在能源和环境科技方面寻求革命性突破。本学科的发展趋势可以概括为：①对能源转化、传递、利用中基础问题和规律的探索不断深化，学科研究在不断拓宽或突破原有界限与假定，如宏观向微观甚至介观的过渡、常规参数向超常参数或极端参数的发展，以及随机、非定常、多维、多相、多过程与多因素耦合等复杂情况下的热物理问题；②随着能源、环境问题的日益突出，可再生能源和温室气体控制等问题开始成为工程热物理与能源利用学科发展的重要方向；③不断产生的新理论、新方法和新手段，以及研究的定量化和精确化，大大促进了学科的发展；④本学科各分支学科之间以及本学科与其他学科之间全方位、大跨度的交叉与融合已成为当前工程热物理与能源利用学科发展的一个基本趋势与特征，学科的界限越来越淡化和模糊。
　　1.2战略地位
　　能源是国民经济发展的动力和命脉，能源开发与合理有效利用是整个社会发展的源泉和基础，标志着人类的文明和进步，决定了一个国家的科学技术水准、竞争实力和综合国力，已成为国家存亡和社会安全的重大问题，引起世界各国政府高度重视并作为*优先的国家战略考虑。能量的转换、传递、能源与物质相互作用和转化是自然界*普遍的物理现象和物质运动形式之一，几乎与所有的生产工艺过程、技术领域和人类社会生活密切相关，这些现象和过程中的基本规律及其技术理论是能源合理有效利用的科学基础和理论依据，工程热物理与能源利用学科的原理和技术也因此具有普遍性和广泛性，在人类文明和社会进步中占有极为重要的地位。
　　本学科的建立源于蒸汽动力装置发明和广泛应用所引起的工业革命的极大推动，从创立*基本的热力学、热机学开始，逐步发展、完善成为*立的技术基础学科。工程热物理与能源利用学科为各种能源动力技术的发展提供理论支撑和源泉，是能源科技进步的重要依托。回顾历史，几乎每一次能源动力或能源利用方面的突破都带来生产力的飞跃、社会的发展、观念的变革。由于蒸汽机的发明和热力学理论的建立，人类找到从化石能源转化为功的办法，带动了世界**次产业革命；仅仅石油的发现并没有迎来石油时代，而是利用石油的内燃机的发明和推广应用才使人类进入一个新的文明时代；内燃机和蒸汽轮机的出现与发展为现代社会的机械化、电气化创造了条件；燃气轮机发动机和火箭发动机的发展则为高速航空与宇宙时代奠定了基础；核能的开发利用拓宽了人类利用能源的广阔视野。以高效和生态良性循环的新能源转化和利用概念已然呈现曙光，将不断改变人类能源的思维。显然，工程热物理与能源利用学科的基础原理和技术应用会产生巨大的经济和社会效益。
　　20世纪80年代以来，化石能源的过度使用造成了严重的环境污染，并带来了CO2等温室气体排放造成的显著的温室效应，严重威胁人类的生存和发展。面对生态环境和21世纪社会经济可持续发展的巨大挑战，人类必须在提高化石能源利用效率的同时，大力发展和使用可再生能源。近年来，以太阳能、风能和水能为代表的可再生能源得到了快速发展，碳中和已成为未来能源发展的主线，工程热物理与能源利用学科的发展必须顺应时代潮流，能源科学技术的进步将带来许多伟大的变革，产生重大影响，*终使人类社会迈向生态安全与良性循环的能源之路。
　　1.2.1社会经济持续发展的迫切需求
　　能源的耗费数量和使用情况标志着人类社会经济发展规模、人民生活水准和科学技术发达程度。20世纪以来，世界能源消费有很大增长，21世纪更是惊人，预计需求必然持续上升。能源与人类的关系已密不可分，或者说，没有能源就没有现代人类社会的生存与发展。
　　2020年，中国GDP突破百万亿元，达到1015986亿元，折合约为14.73万亿美元，仅次于美国的20.81万亿美元，远远超过日本的5.05万亿美元，稳居世界第二大经济体，这是中国40多年经济高速发展成就的一个写照，也是中国国力增强的“里程碑”。据国际货币基金组织统计，2020年中国人均GDP约为1.1139万美元，排名全球第60位，仍略低于全球人均水平，不到日本的1/3［1］。
　　中国国情要求继续推进社会和经济的全面进步，能源是国家经济快速发展*重要的战略保障之一。在我国经济快速稳定发展的同时，能耗总量也在大幅度增长。2020年，中国能源消费总量已达49.7亿t标准煤，人均一次能源消费水平约为3.46t标准煤，是世界上能源消耗的**大国；进口原油5.4亿t，石油对外依存度近70%，是仅次于美国的第二大石油进口国和消费国；中国电力装机容量突破22亿kW，稳居全球**装机大国地位，人均电力装机容量1.5kW，与美、日、欧等发达国家人均2kW及以上水平仍有一定差距；人均天然气消费量235m3，成为第三大天然气消费国。煤炭在一次能源消费中占到55.3%，单位能源的CO2排放强度高于世界平均水平，控制CO2排放面临极大困难［2，3］。
　　《中华人民共和国节约能源法》的贯彻实施和不断完善，极大地推动了我国的节能工作。我国“十三五”期间克服诸多困难，尽*大努力实现国民经济和社会发展第十三个五年规划提出的单位GDP能源消耗降低15%左右的约束性目标，减缓温室气体排放增长。
　　由于我国以煤为主的能源结构短时间内无法改变，经济还将持续稳定发展，加之我国的城市化建设进入了快速发展阶段，社会总能耗和人均能耗将持续走高，这些必将使我国面临更为严峻的能源、环境和温室气体控制压力。在这种形势下，迫切要求工程热物理与能源利用学科为能源开发和利用提供新的科学理论基础与技术先导，并以前所未有的科学技术观念为其服务，也为学科的崭新发展注入新的动力，开拓出不断创新的研究课题和领域。
　　1.2.2能源结构优化支撑“双碳”目标
　　中华人民共和国成立后经济建设的初期，国家*立自主、自力更生地构架我国自己*立的社会主义工业体系，发展生产，满足自给自足的基本要求，随后围绕国家工业化进行建设和发展；改革开放以来，全国上下贯彻发展才是硬道理、建设小康水平社会主义国家的精神，持续快速地发展经济，产业架构主要特点是技术水平低、资源消耗高、生产粗放型；同时我国加快推动科学技术进步，大力调整产业结构，力求降低能源消耗，着手治理浪费，厉行节约，能源利用率有所提高，但即便在如此形势下，我国能源消耗强度仍偏高。因此，对我国而言，立足于环境友善、资源节约、和谐发展的新型工业化道路，提高科学技术水平、增大高科技含量、采用先进生产工艺和技术装备已经迫在眉睫，势必要求和推动工程热物理和能源利用学科把握新的发展机遇，既要增强学科基础、拓展内涵、扩大服务领域，还应注重发展先进实用和前瞻性高的新技术。
　　能源动力行业继向高参数，甚至超高参数方向发展后，正持续朝集成、高效、洁净和智能化趋势迈进，包括循环流化床燃烧发电、增压流化床燃烧联合循环发电、整体煤气化联合循环发电、磁流体-蒸汽联合循环发电、燃煤联合循环发电、湿空气透平循环发电、新型核能联合循环发电、化学链燃烧反应动力系统、直接发电-热力循环相结合的多重联合循环等，都以人们难以预料的速度涌现并逐步实用化。与此同时，为满足社会经济更为广阔的能源需求，燃煤燃料电池电站技术、先进核反应堆、基于新型能质转换和能量释放机理的多功能能源集成系统，如太阳能、地热能、风能、生物质能等可再生能源的利用，均以崭新的面貌展示在人们眼前。
　　动力推进与民用交通运输高效、安全的迫切需要，海陆空低耗高效、精准快速、高推重比的现代军事目标，探求世界起源和宇宙奥秘的航天渴望等，都对高效洁净燃烧、能源转换、热流体力学、新兴推进技术、新兴和微型能源系统、先进强化冷却技术与有效热防护、系统热管理等提出前所未有的新挑战。
　　截至2020年底，我国还存有35.59万台工业锅炉，难以计数的小锅炉和工业窑炉，轻工纺织、食品医药加工与存储、冶金、建材、化工与石油化工，以及其他诸多耗能或存在技术上亟待新陈代谢或改造革新的传统工业［4］。因此，能源合理、高效、洁净转化和利用的压力极大，面临的问题和解决问题的技术途径异常复杂多变、面大量广，还要快速灵敏、成本低廉、实用有效。
　　我国建筑耗能问题也十分突出，不仅单位建筑能耗比同等气候条件国家高出2～3倍，而且建筑直接能耗已占社会总能耗的30%，随着生活水准的提高和人们对居住条件、室内环境舒适、健康、品位等方面的追求，这一比例会增至35%，将成为能耗**大户。建筑节能与保温绝热材料、通风供冷采暖、空调制冷与低温工程等，都期待着新的思维观念、新的基础理论和新的技术方法。
　　“双碳”目标对能源系统问题研究提出了新的挑战。能源系统问题是事关人类生存的基础问题，不仅影响国家社会经济安全战略，更会影响地球环境和生态安全。解决能源系统问题不仅要考虑传统的能源利用和节能减排，更要结合生态环境与可持续发展，全方位开发可再生新型清洁能源，从源头降低碳排放强度，并进一步进行涉及能源资源、储存、输运、转换和生态友好后处理等全方位的基础和技术创新探索，方能有效实现碳中和的目标。
　　除以上所述的行业和技术领域外，在社会生产力全面提升的今天，对能源转换和利用技术推进与更新的渴求几乎无所不在，都是本学科传统和不断创新的研究领域。
　　1.2.3资源和生态安全的双重压力
　　中国能源生产、资源消耗总量在世界上均名列前茅，直到2020年煤炭在我国一次能源中的占比仍然高达56.8%，而石油和天然气仅分别占18.9%和8.4%。人均能源消耗量只有发达国家的10%～15%，而且单位产值的能耗远高于世界平均水平，要改变我国人均GDP很低的现状，仍有必要继续保持每年都有较高增长。显然，无论如何强调和做到高效节约，高速提升能源开发生产仍是必然的，这样才能提供足够的能源以持续发展经济。应对人口众多、高消耗低效率的快速经济增长，能源资源突显其苍白无力的特点，如此负荷的能源开发也不可避免地消耗和占用其他资源，加上结构性的先天缺陷，能源和资源的匮乏已然演化成一个国家的资源安全问题，构成对国家社会、经济和政治安定的巨大威胁。国家资源安全问题是世界各国作为战略考虑的重大问题之一。
　　与我国能源结构特点、需求、转换利用落后现状相对应的是环境污染问题，犹如雪上加霜，严重制约社会、经济发展，危及我们的健康和生存环境，甚至威胁生态资源的长期安全。以燃煤为主的能源动力系统、大量的工业炉和窑炉，在实

目录
序
前言
第1章 总论 1
1.1 概述 1
1.2 战略地位 2
1.2.1 社会经济持续发展的迫切需求 3
1.2.2 能源结构优化支撑“双碳”目标 4
1.2.3 资源和生态安全的双重压力 5
1.2.4 高新科学技术的推动促进 6
1.2.5 培育和发展战略性新兴产业的重要科技保障 6
1.2.6 国家创新体系建设和基础研究发展的需求 8
1.3 学科体系 10
1.3.1 学科分支 10
1.3.2 内涵与作用 11
1.4 基金资助现状 12
1.4.1 面上项目 12
1.4.2 重大项目和重点项目 15
1.4.3 优秀青年科学基金项目 25
1.4.4 国家杰出青年科学基金项目 27
1.4.5　创新研究群体项目 29
1.5 基金支持原则 30
1.6 工程热物理与能源利用学科资助导向 32
参考文献 36
第2章　工程热力学与能源利用 37
2.1 学科内涵与应用背景 37
2.2 国内外研究现状与发展趋势 42
2.2.1 非平衡态热力学及统计热力学 42
2.2.2 工质热物性 44
2.2.3 动力循环 46
2.2.4 制冷与低温 47
2.2.5 总能系统 51
2.2.6 学科交叉与拓展 52
2.2.7 学科发展与比较分析 55
2.3 学科发展布局与科学问题 60
2.3.1 非平衡态热力学及统计热力学 60
2.3.2 工质热物性 66
2.3.3 动力循环 69
2.3.4 制冷与低温 72
2.3.5 总能系统 74
2.3.6 学科交叉与拓展 77
2.4 学科优先发展领域及重点支持方向 84
2.4.1 学科优先发展领域 84
2.4.2 跨学科交叉优先发展领域 88
2.4.3 国际合作优先发展领域 90
参考文献 91
第3章　热机气动热力学与流体机械 93
3.1 学科内涵与应用背景 93
3.2 国内外研究现状与发展趋势 93
3.2.1 黏性流动与湍流 93
3.2.2 动力装置内部流动 94
3.2.3 流体机械内部流动 96
3.2.4 流体噪声与流固耦合 98
3.2.5 学科交叉与拓展 99
3.2.6 学科发展与比较分析 100
3.3 学科发展布局与科学问题 103
3.3.1 黏性流动与湍流 103
3.3.2 动力装置内部流动 104
3.3.3 流体机械内部流动 105
3.3.4 流体噪声与流固耦合 106
3.3.5 学科交叉与拓展 107
3.4 学科优先发展领域及重点支持方向 108
3.4.1 学科优先发展领域 108
3.4.2 跨学科交叉优先发展领域 110
3.4.3 国际合作优先发展领域 112
参考文献 113
第4章　传热传质学 115
4.1 学科内涵与应用背景 115
4.1.1 概述 115
4.1.2 学科内涵 116
4.1.3 前沿背景与动机的演变 118
4.1.4 机遇与挑战 119
4.2 国内外研究现状与发展趋势 121
4.2.1 热传导 121
4.2.2 辐射换热 123
4.2.3 对流传热传质 126
4.2.4 相变传递 130
4.2.5 微纳尺度传递 134
4.2.6 耦合传递 138
4.2.7 传热传质测试技术 142
4.2.8 学科交叉与拓展 145
4.2.9 学科发展与比较分析 152
4.3 学科发展布局与科学问题 156
4.3.1 热传导 156
4.3.2 辐射换热 160
4.3.3 对流传热传质 161
4.3.4 相变传递 164
4.3.5 微纳尺度传递 166
4.3.6 耦合传递 170
4.3.7 传热传质测试技术 174
4.3.8 学科交叉与拓展 177
4.4 学科优先发展领域及重点支持方向 179
4.4.1 学科优先发展领域 179
4.4.2 跨学科交叉优先发展领域 182
4.4.3 国际合作优先发展领域 184
参考文献 186
第5章　燃烧学 187
5.1 学科内涵与应用背景 187
5.2 国内外研究现状与发展趋势 193
5.2.1 燃烧反应动力学 193
5.2.2 层流与湍流燃烧 196
5.2.3 空天动力燃烧 198
5.2.4 动力装置燃烧 201
5.2.5 燃烧诊断 206
5.2.6 燃烧数值仿真 208
5.2.7 煤燃烧与生物质利用 210
5.2.8 火灾科学 213
5.2.9 学科交叉与拓展 216
5.2.10 学科发展与比较分析 217
5.3 学科发展布局与科学问题 221
5.3.1 燃烧反应动力学 221
5.3.2 层流与湍流燃烧 222
5.3.3 空天动力燃烧 223
5.3.4 动力装置燃烧 224
5.3.5 燃烧诊断 225
5.3.6 燃烧数值仿真 226
5.3.7 煤燃烧与生物质利用 227
5.3.8 火灾科学 228
5.3.9 学科交叉与拓展 229
5.4 学科优先发展领域及重点支持方向 230
5.4.1 学科优先发展领域 230
5.4.2 跨学科交叉优先发展领域 233
5.4.3 国际合作优先发展领域 235
参考文献 237
第6章　多相流 239
6.1 学科内涵与应用背景 239
6.2 国内外研究现状与发展趋势 240
6.2.1 离散相动力学 240
6.2.2 多相流动 248
6.2.3 多相流传热传质 255
6.2.4 气固两相流 257
6.2.5 多相流测试技术 263
6.2.6 学科交叉与拓展 270
6.2.7 学科发展与比较分析 277
6.3 学科发展布局与科学问题 285
6.3.1 离散相动力学 285
6.3.2 多相流动 287
6.3.3 多相流传热传质 288
6.3.4 气固两相流 289
6.3.5 多相流测试技术 290
6.3.6 学科交叉与拓展 291
6.4 学科优先发展领域及重点支持方向 293
6.4.1 学科优先发展领域 293
6.4.2 跨学科交叉优先发展领域 295
6.4.3 国际合作优先发展领域 296
参考文献 297
第7章　可再生能源 298
7.1 学科内涵与应用背景 298
7.2 国内外研究现状与发展趋势 302
7.2.1 太阳能 302
7.2.2 生物质能 308
7.2.3 风能 316
7.2.4 海洋能 318
7.2.5 地热能 321
7.2.6 水能 326
7.2.7 氢能 329
7.2.8 核能 336
7.2.9 天然气水合物 341
7.2.10 学科交叉与拓展 345
7.2.11 学科发展与比较分析 347
7.3 学科发展布局与科学问题 353
7.3.1 太阳能 353
7.3.2 生物质能 356
7.3.3 风能 358
7.3.4 海洋能 360
7.3.5 地热能 361
7.3.6 水能 362
7.3.7 氢能 363
7.3.8 核能 365
7.3.9 天然气水合物 366
7.3.10 学科交叉与拓展 367
7.4 学科优先发展领域及重点支持方向 369
7.4.1 学科优先发展领域 369
7.4.2 跨学科交叉优先发展领域 372
7.4.3 国际合作优先发展领域 374
参考文献 375