工程热物理学科的初步认识与研究立项依据和问题提炼的浅见

上海交通大学{力诺瑞特}杯第六届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛, 与热爱工程热物理学科同学们的学术交流青年人才辈出是学科发展的未来工程热物理学科的初步认识与研究立项依据和问题提炼的浅见主题—节能减排、立志科技、持续发展中国科学院先进能源动力重点实验室报告人：聂超群 2013年8月7日

主要汇报内容 工程热物理学科定义与标志性科学家贡献回顾能源/动力/环境科学研究创新内涵的认识叶轮机械的基本范畴科研立项依据与基础科学问题提炼举例对同学们未来成为科学家的几点建议工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

工程热物理领域层面的理解 工程热物理主要涉及到能源，动力，化工、钢铁、制造、环境保护等方面的内容，通俗一点说，只要在工程科学研究中涉及到热和冷的过程均与本学科的核心问题关联。主要研究内容是各类传递过程的能源转换效率、能源梯级利用与优化、核心动力设备的气动/传热/燃烧基础科学研究、能源持续发展的战略思考、与环境友好关联的能源与动力转换方式、整体系统与局部系统的无缝联接（能/物流）。工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

工程热物理学科层面的理解 工程热物理主学科要涉及到工程热力学、流体力学、传热/传质学、化学反应动力学、燃烧理论、气体动力学、气动声学、生态与环境学、自动控制理论、运筹学与概率统计学、计算数学、测量技术、故障诊断学、系统优化理论、经济学。是强学科交叉科学研究的融合与集成。是支撑人类持续发展与环境保护的重要基础学科。工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

标志性科学家贡献回顾 工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

发现冰融化时，吸收热量，但温度不变。发现相变过程中的潜热(1761)现象发现冰融化时，吸收热量，但温度不变。发现相变过程中的潜热(1761)现象改进蒸汽机，使热机效率大大提高(1765) 布莱克(Joseph Black) 1728—1799,英国瓦特（James Watt) 1736-1819，英国对热力学发展有重要影响的科学家工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

发现热-功转换，热是能量的一种形式(1798) 卡诺循环蒸汽机效率(1824) 汤姆逊(Benjamin Thompson) 1753-1814, 美裔英国卡诺 (Sadi Carnot) 1796-1832, 法国对热力学发展有重要影响的科学家工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

首次提出热力学第二定律(1834) 能量守恒和转化定律（1842）克拉佩龙 (Benoit-Pierre Clapeyron) 1799-1864，法国迈尔 (Julius Robert Mayer) 1814-1878，荷兰对热力学发展有重要影响的科学家工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

两个热力学循环概念的提出奠定了航空推进技术、蒸汽轮技术、低温制冷技术、和联合循环技术的理论基础。两个热力学循环概念的提出奠定了航空推进技术、蒸汽轮技术、低温制冷技术、和联合循环技术的理论基础。威廉，约翰，郎肯 (W.J.M. Rankine) 1820—1872，英国乔治，布雷顿（George, Brayton) 1830—1892, 美国对热力学发展有重要影响的科学家工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

提出开尔文温标（1848） 独立发现绝对零度(1851) 提出热力学第一定律（1843）威廉·汤姆生, 1824-1907，英国 William Thomson (Lord Kelvin) 焦耳 (James Prescott Joule) 1818-1889，英国对热力学发展有重要影响的科学家工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

首次使用“热力学(Thermodynamics)” 这个名词(1849) 创立能量守恒的数学定律(1847) 詹姆斯·汤姆生 (James Thomson) 1822-1892, 英国亥姆霍兹 (H.L. F. Helmholtz) 1821-1894，德国对热力学发展有重要影响的科学家工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

提出“各态遍历”原理(1871) 给出熵的微观状态方程(1877) 引入平均自由程概念（1858）定义“热温熵”(1865) 玻尔兹曼 (Ludwig Boltzmann) 1844-1906，奥地利克劳修斯 (Rudolf Clausius) 1822-88，德国对热力学发展有重要影响的科学家工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

麦克斯韦关系式 引入二元偏导数基本性质关系式的建立为表达热力学状态参数的数学描述奠定了坚实的基础,依据这些关系,依据微分和积分的概念建立状态参数之间的严格关系式为建立状态参数之间的关系式。对热力学发展有重要影响的科学家引入麦克斯韦方程解释热力学(1871)，并提出气体分子速率分布定律(1872)。麦克斯韦 (James Clerk Maxwell) 1831-79，英国工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

对热力学发展有重要影响的科学家 首次把热力学引入化学(1923) 引入(Gibbs)自由能概念(1876) 路易斯(Gilbert Newton Lewis) 1875-1946，美国吉布斯 (Josiah Willard Gibbs) 1839-1903，美国工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

热传导 热对流热辐射 Unsteady, Variable Conductivity, with internal heat Generation TL 傅立叶 J. B. J. Fourier (1768 – 1830,法国) TH 2. 传热学 Fourier Law—Thermal Conduction 工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

Isaac Newton is widely credited with the following statement of the convective heat transfer coefficient While the originator of this attribution is not clear 热对流 Steady two-dimensional equation 艾萨克·牛顿 Sir Isaac Newton (1642 – 1727，英国) 2. 传热学 Newton’s Convection Law 工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

2. 传热学 Thermal Radiation—Five Laws Planck's law describes the spectral radiance of un-polarized electromagnetic radiation at all wavelengths emitted from a black body at absolute temperature T. 马克斯·普朗克 Ludwig Planck (1858—1947,德国)，工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

Wien’s Displacement Law 威廉·维恩 Wilhelm Wien (1864 –1928,德国) 2. 传热学 Thermal Radiation—Five Laws 工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

两个人是好朋友 Stefan—Boltzmann’s Law 约瑟夫·斯蒂芬 ( Josef Stefan) 1835—1893,奥地利玻尔兹曼 (Ludwig Boltzmann) 1844-1906，奥地利 2. 传热学 Thermal Radiation—Five Laws 工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

Lambert’s Law 2. 传热学 Thermal Radiation—Five Laws 兰贝特 Johann Heinrich Lambert (1728–1777，法国) 工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

Kirchhoff’s Law 2. 传热学 Thermal Radiation—Five Laws 古斯塔夫·基尔霍夫 G. R. Kirchhoff (1824 –1887,德国) 工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

Mass Transfer Fick’s First Law Fick’s Second Law 3. 传质学 Fick’s Law of Diffusion 道夫，尤金，菲克 Adolf Eugen Fick (1829—1901, 德国）工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

Continuity Equation 4. 气动力学 Law of Conservation of Mass The law states that the mass of a closed system (in the sense of a completely isolated system) will remain constant over time. Mass can be neither created nor destroyed. 安东·尼罗朗·拉瓦锡 Antoine Lavoisier (1743 –1794，法国）工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

克劳德,路易,纳维 Claude-Louis Navier (1785—1836，法国) 乔治·加布·斯托克斯 George Gabriel Stokes (1819–1903，英国）艾萨克·牛顿 Sir Isaac Newton (1642 – 1727，英国) 4. 气动力学 Law of Conservation of Momentum 成功地将牛顿第二定律应用到流体运动规律分析方面，建立了纳维—斯托克斯动量平衡方程。工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

4. 气动力学 Concept of Boundary layer 1904年，29岁的工程师普朗特在国际数学大会上发表了一篇仅有4页的论文“论粘性很小的流体运动”，在这篇文章提出了边界层的新概念。哥廷根大学把普朗特请到学校来，为其成立流体力学研究所。很快，该研究所就成为国际上引领流体力学发展的中心。现代流体力学和空气动力学的理论均建立在边界层，也就是业内普遍承认的“哥廷根学派”。路德维希·普朗特 Ludwig Prandtl (1875 –1953，德国) 工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

3ct -3 马赫锥 -2 -1 0 -3 -1 -2 马赫锥 4. 气动力学 Mach number (Subsonic & Supersonic) 恩斯特·马赫 Ernst Mach (1838-1916,奥地利) 工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

吴仲华 1917--1992 1) 遵循吴仲华先生的转焓守恒的理论; 2) 吴先生两个流面理论，奠定了叶轮机械内部流动三维分析的基础。 Non-Orthogonal Curvilinear Coordinates Continuity 4. 气动力学 Theory of 3-D Flow 工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

提出边界层理论 超声速之父两弹一星功勋路德维希·普朗特 Ludwig Prandtl (1875 –1953，德国) 钱学森 Qian Xuesen (1911—2009 ，中国) 西尔多·冯·卡门 T.V. Kármán (1881—1963，美国) 4. 气动力学名师出高徒师从于普朗特的冯·卡门在美国坚持了以促进航空航天技术发展为主要目标的研究方向，不但对促进美国的航空航天技术作出了巨大贡献，也大大促进了流体力学及其他力学分支的发展，出现了新的流体力学分支学科，如高速空气动力学、稀薄气体动力学、化学流体力学等。工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

两弹一星功勋科学家-钱学森 师从于的冯·卡门钱学森在空气动力学方面做出开拓性的工作。就可压缩边界层的的性质，创立了卡门——钱学森方法，从雷诺数与马赫数之比的角度出发，界定了连续介质假说。与郭永怀合作引入临界马赫数概念。在喷气推进与航天技术方面为发展我国的火箭等航空推进装置做出了无可替代的贡献，还在工程控制论、物理力学概念、系统工程等方面做成了开拓性工作。是科学大师。工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

与本领域相关的诺贝尔奖科学家回顾 工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

1910年物理奖 与本领域相关的诺贝尔奖科学家成功地描述了实际气体分子之间的排斥力和相互吸引力之间的关系范德瓦尔 (1856-1861,荷兰) 工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

1918年物理奖 与本领域相关的诺贝尔奖科学家他的理论将物理学引入到一个新的时代，是科学界对于原子和亚原子认知的一次革命性成果。 1900年12月，普朗克提出了一个公式。该公式准确地描述了辐射从低频到高频的分布范围。他为光学、热力学、统计力学、物理化学以及其他诸多领域，都做出了重大贡献。马克斯·普朗克 Ludwig Planck (1858—1947,德国)，工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

与本领域相关的诺贝尔奖科学家 1920年物理奖他用量子理论的观点研究低温下固体的比热；提出光化学的“原子链式反应”理论。1906年，根据对低温现象的研究，得出绝对零度不可能达到的结论”热力学第三定律”，人们也称之为“能斯特热定理”。能斯特(Walther Nernst) 1864-1941，德国工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

Entropy Fluctuations Change of Entropy with Fluctuations 阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein） 1879—1955,瑞士及美国 Concept Development for supporting Disorder, Uncertainly, & Dissipation 1921年物理奖与本领域相关的诺贝尔奖科学家爱因斯坦对热力学的评价是：理论留给人的印象越深，它的根据就应该越简单，并且它能与许多不同类型的事情联系起来，也可拓宽它的应用范围。因此，热力学给我在这方面留下了深刻的印象。它是唯一包含普遍内容的物理理论，我信服的是它基本概念的应用框架是永远不可推翻的。 1902年,他揭示了热力学参数涨落变化概率与平衡态和孤立系统熵变化的关联性。但获诺奖是他在光电效应方面的贡献（量子力学）。工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

1968年化学奖 与本领域相关的诺贝尔奖科学家昂萨格倒易关系 Reciprocity Relations 这一关系式澄清了多种势力场相互耦合和共轭的关系昂萨格 (Lar Onsager) 1903—1976,美国工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

1977年化学奖 与本领域相关的诺贝尔奖科学家主要科学贡献：将热力学第二定律拓宽到远离平衡态的结构领域，并就系统的有序和无序的关系作出了划时代的经典结论。提出“耗散结构”理论。这一理论的基本原理已被许多学科应用。例如：城市增长、交通堵塞、信息熵增、生物熵、环境熵增、经济熵增等。伊利亚,普里高津 Ilya Prigogine (1917—2003,比利时) 工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

总结 • 科学家要出思想; • 科学家要有挑战传统理论和概念的胆识; • 科学家需要具备解决共性和专属性问题的能力; • 科学家需要对自然界的未知问题有高度的敏感性; • 科学家要具备广泛开展合作研究的胸怀; • 科学家要有”先看森林,后见树木”的路线图安排; 工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

能源/动力/环境科学研究创新内涵的认识 共勉丁肇中教授的一句话基础科学研究的原动力是好奇心,假使不做基础研究，新的现象不会被发现，根本就没有技术转化的可能。工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

对于我们来说基础科学研究是站在最高端 Fundamental Research 科学发现 Discovery & Challenging Key Technologies 技术形成 Methods & Solutions Engineering Applications 工程实现 Identification & Evaluation 本人浅见—基础研究、技术形成、工程实现的关系工程应用立地基础科学研究顶天工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

工程热物理学科属于工程科学研究 • 提炼出带有工程背景的基础性问题； • 大部分问题与复杂湍流机理相关（气动）； • 以基础性实验研究为主，目标为建立在物理认识基础上的工程模型和数值模拟手段提供支撑； • 问题的解决和研究成果应着眼于动力—推进核心工程设计技术的形成； • 挑战新的设计概念是基础研究的任务； • 研究结果必须具有普遍意义; 其研究目的、手段应该遵循 Paper Research Works must be cancelled! 工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

工程热物理学科遵循准则 Dimensional Analysis—The Buckingham  Theorem 这些相似准则数在工程热物理各学科广泛应用,其目的是在准确物理场相似的前提下,可以采用模拟化实验的方法获得现象的物理本质. 工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

感谢陈学飞教授有关科研创新内涵的启迪 （1）继续前人未完成的独创性工作（完善与提升）；（2）进行自己拟订的独创性工作（诠释与发现）；（3）在即使并非独创性的研究工作中，提出一个独创性的方法，视角或结果（新途径）；（4）在证明他人的观点中表现出独创性（新解释）；（5）进行前人尚未做过的实证性研究工作（夯实）；（6）在本国首次做出在别国得出的实验成果（填补）；（7）为一个老的研究问题提供新的证据（刷新）；（8）注重本学科中尚未涉及的新研究领域（开拓）； (9) 学科交叉中的新问题（新的视野与合力）; 工程基础科学研究原始创新内涵的商榷工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

叶轮机械的基本范畴 The Different Types of Turbomachinery Air Propeller 工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

Marine Propeller 工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

Axial Flow Fan 工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

Axial Flow Compressor 工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

Centrifugal Compressors 工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

Turbocharger 工程热物理研究所先进能源动力重点实验室

工程热物理学科的初步认识与 研究立项依据和问题提炼的浅见