蒸汽射流在管内过冷水流中的直接接触凝结会诱导严重的管道振动。采用高速摄像机与加速度传感器，捕捉了蒸汽射流气羽演化及其诱导的管道振动。通过实验定量描述了考虑气羽形貌的气羽灰度质心振荡与管道振动特性。发现界面振荡流型下气羽灰度质心的振荡幅度最大，间歇振荡流型下次之，稳定凝结流型下最小。随着蒸汽质量流速升高，质心振荡及管道振动强度都向着趋于稳定的方向发展，表现出极强相关性。在此基础上绘制了管道振动强度随蒸汽质量流速及过冷水温度的分布图，振动强度随着过冷水温度的升高而升高。相关性分析表明气羽灰度质心的轴向振荡是沿蒸汽喷射方向的管道振动强度的主导因素。

喷雾冷却过程中，液滴-液膜-热壁面多子过程交互的强干扰体系造成液膜流动特征的捕捉非常困难，致使喷雾冷却高效换热机理还未得到本质澄清。开展了HFE-7000和HFE-7100喷雾液膜流动与传热研究，明确相机内置感光参数、快门和光圈组合、取样策略等耦合影响下的液膜流动特性测试与诊断方案，针对不同表面均取得了良好的测试效果。提出了基于标准液膜的ADD型误差分析方法，给出相关参数的偏差和随机误差，获得了不同热通量、压力和喷嘴高度下HFE-7100液膜分布和流动过程润湿面积、接触线长度等特征及规律，发现孤立液膜润湿面积随表面温度升高而降低，接触线则随温度呈现出降低或少数工况降低-升高的趋势，并探讨了液膜流动特征与传热规律的有机联系。

管内气液螺旋环状流动可以通过设置固定叶片的旋流器形成，旋流器的结构极大地影响了形成的螺旋环状流动的稳定性。对此，选取了四种典型旋流器结构开展三个典型来流工况下螺旋环状流形成的实验研究。通过图像处理结合概率密度函数（probability density function，PDF）拟合的方法分析了形成螺旋环状流的稳定性，同时结合液膜波动特性与旋流器内部作用过程分析发现：平板式及平板有中心柱式旋流器在不同来流工况下产生的液膜相较于螺旋叶片式A/B旋流器都更加稳定，相同工况下的失稳距离也更长，而螺旋叶片式A/B旋流器产生的螺旋环状流的稳定性较差，在更短的距离内即发生了螺旋环状流失稳现象；不同工况下液相折算速度的上升有助于提高液膜稳定性与螺旋环状流失稳距离，从而形成更稳定的螺旋环状流；叶片作用下流体内部压力梯度和气液相分布规律高度相关，压力梯度和周向速度是形成螺旋环状流动的主要因素，并且压力梯度和周向速度的大小一定程度决定了螺旋环状流动气液交界面的稳定性。

施加电场控制荷电颗粒的运动广泛应用于工业过程。目前对电介质颗粒群在电场中行为的研究仍不充分。因此，通过数值模拟研究了电介质颗粒层在外加电场内的完整动力学行为。基于研究结果，首先构建了电场中电介质颗粒的行为模式相图，并推导出相邻区域的边界。进一步表征了颗粒层结构，探究了外场和颗粒间静电作用对结构重构的影响机制。最后，对颗粒层的悬浮运动过程进行了分析。

在固-液相变过程中，外力可导致固体相变材料在液体相变材料中产生相对运动并严重影响相变流动传热。提出一种欧拉-拉格朗日迭代固-液相变算法，创新地将预测固体相对运动的拉格朗日迭代外置耦合于预测相变流动传热的欧拉迭代，能够稳定准确地耦合计算固-液相变的流动传热和固体相变材料的相对运动。采用本算法研究了方腔内的接触熔化过程，探讨不同糊状区系数和重力加速度对本算法的影响规律。结果表明，本算法预测液相体积分数的平均误差为4.93%，固体相对运动预测数值振荡降低51.42%。对于石蜡材料，推荐使用的糊状区系数为10¹⁰。增大重力加速度会提高熔化速率并加快相对运动，但对整体趋势影响较小。研究结果可作为相变储能装置的设计参考。

通过实验的方式研究旋流室顶部具有螺旋形导流结构的空心喷嘴。搭建可容纳1~4个喷嘴工作的喷淋实验台，制作可视化螺旋喷嘴，进行喷淋特性实验。使用高速摄像机进行内部流场特性的可视化研究，并通过测量装置采集外部流场喷淋密度的分布情况。分析不同工况下内部流场空气柱、湍流流动的变化规律以及外部流场喷淋密度的特性。结果表明，在内外压差的作用下，喷嘴内部形成空气柱，由于单侧切向入口和螺旋导流结构的作用，空气柱中心线与旋流室中心线存在偏移。外部流场周向有效喷淋密度呈现双峰值分布，峰值区域分别位于120°和280°附近。

喷雾流化床内湿法造粒过程已广泛应用于能源、制药、食品和化工等各种工业领域，然而流化床中的颗粒生长过程涉及到复杂的气-液-固三相相互作用，进而难以实现造粒过程的精确控制。基于离散单元模型，通过添加液桥力模型和颗粒生长模型开展喷雾流化床内导流板结构对床内颗粒流动和生长特性影响的研究，分析颗粒流化状态对颗粒生长均匀性的影响。研究发现，在本文工况内，随着床内导流板长度的增加、导流板间距和高度的降低，颗粒流化状态得到改善，颗粒生长区域进一步扩大，颗粒循环时间增加，单次颗粒涂层增长量降低，颗粒生长得更均匀。

蒸汽直接接触冷凝具有高效的传热传质性能，广泛应用于核能安全等领域。低质量流率蒸汽直接接触冷凝具有低频压力振荡，易引发设备共振。相比陆地稳定工况，海洋条件下摇摆运动可能加剧气液界面振荡，进一步影响设备的安全运行。为此，通过数值模拟对摇摆条件下低流率蒸汽凝结过程进行研究，分析了摇摆条件下压力、换热特性和气泡受力的变化规律，结果表明压力和传热系数剧烈波动主要集中于气泡颈缩和脱离阶段，此时气泡受力也达到最大值，气泡主要受惯性力和凝结力作用。此外，对比静止工况和摇摆工况，发现摇摆条件下由气泡速度变化导致的惯性力部分增大，摇摆运动带来的附加摇摆速度强化了气液界面的换热性能，平均传热系数远高于静止工况。

车用燃料电池运行过程中，动态负载可能引起电池局部物理量剧烈变化，进而导致电池性能和使用寿命急剧下降。为了防止上述问题的发生，需要深入分析动态工况下电池局部动态特征。本研究考虑膜电极7层结构特征、气体组分扩散以及气液两相宏观对流带来的能量输运，同时考虑水在气-液-膜三相之间相变引起的局部能量变化，建立了燃料电池两相、非等温、三维动态物理模型，揭示动态载荷下燃料电池内部特征，特别是在流道方向和极板沟脊下催化层区域的热质输运以及电化学反应动态响应特征，并阐明了动态行为形成机理。研究结果显示，在电流负载阶跃过程中膜电极内部存在显著的热质时空响应不均现象，导致变载过程中电池输出电压下冲约20 mV，引发额外功率损失和产热，从而造成局部温度进一步上升。

将边界层积分方法应用于管内变物性湍流流动导出了剪切应力的分布方程，基于该方程可以对超临界压力流体的对流传热行为做出合理的定性解释。对于加热条件下的传热工况，结合“热可压缩”状态流体密度的变化，引入浮力阻力系数表征热流方向上的“浮力效应”，引入加速阻力系数表征流动方向上的“加速效应”。根据边界层理论和动量-热量传递比拟法导出了新型传热关联式，该关联式将不可压缩流体和热可压缩流体的管内湍流对流传热计算统一起来。应用关联式预测不同超临界流体的管内湍流对流传热系数，计算结果与实验数据的比较表明：关联式能较为准确合理地预测出大部分传热工况下的传热强化和传热恶化行为，其预测精度与摩擦阻力系数的计算有关。

准确测量超临界CO₂的边界层流动传热特性，对于先进超临界CO₂能源化工循环系统的设计和安全运行具有重要意义。研究基于一种改进的非接触式的相移激光干涉系统，探究了湍流条件下超临界CO₂在矩形截面通道的边界热流场演化趋势。研究分析了基于长直通道局部热量输入条件下边界层密度场和温度场瞬态变化。这些定量信息可用于评估超临界CO₂在不同热通量（q = 14057、5500、2014 W/m²）条件下的局部传热准则数。结果表明：局部边界热传输使边界流体密度快速下降了1.8 kg/m³；浮升力驱动边界流体与主流区域混合并迅速达到平衡状态；高热流条件下温度、密度梯度变化迅速且显著，显示了热边界层的快速形成。

为实现硅基微通道流动沸腾换热强化，分别设计并加工了具有并联微通道、稀疏微柱簇和致密微柱簇结构的微通道换热器，以丙酮为工质开展热通量200~650 kW·m^-2的流动沸腾实验。结果表明，相较于并联微通道，稀疏微柱簇和致密微柱簇微通道具有更强的两相换热性能；在质量流速43 kg·m^-2·s^-1的条件下，稀疏微柱簇微通道与致密微柱簇微通道的平均传热系数分别可达到18.6和17.8 kW·m^-2·K^-1，稀疏微柱簇微通道PEC最大可达到1.49。微柱簇阵列随热通量的增加呈现出三种不同流型，可视化研究表明，稀疏微柱簇内产生的汽相更倾向发生微柱簇绕流，而致密微柱簇内产生的汽相更倾向包裹住微柱簇，这使得前者表现出更强的两相换热性能。

基于Zigzag形通道印刷电路板式换热器内跨临界甲烷的流动换热数值模拟结果开展通道内局部对流传热系数与压降机器学习与预测。采用微元分段法提取各通道内局部多物理场参数构建数据库，通过互信息法筛选输入参数，并根据验证集预测效果确定最佳网络结构和超参数。预测结果表明，人工神经网络模型表现最佳，预测对流传热系数的平均绝对百分比误差为2.228%，预测压降则为5.009%。利用机器学习对流动换热参数的预测开发了一种Zigzag形通道印刷电路板式换热器一维仿真方法，实现了通道内流体温度、壁温、对流传热系数和压降的快速准确预测，为换热器设计提供了新的方法。

化学链制氢技术具有能耗低、产氢纯度高、清洁高效等优势，在氢能领域越来越受到重视。化学链制氢系统中复杂的流动与传递过程限制了该技术的发展，需要开展深入的研究工作揭示化学链制氢反应器的运行特性。使用双流体模型对化学链制氢双流化床反应器进行三维数值模拟研究，考察不同操作工况和载氧体属性对系统运行的影响，揭示反应器内部压力和固相浓度分布规律，为双流化床化学链制氢装置的运行和优化提供指导。计算结果表明，随着床料量增加，提升管压力波动幅值减小，运行更加平稳；由于进料口布置形式的影响，在提升管入口段固相分布呈现较强的不对称性；当前工况下提升管入口气速为7 m/s时反应器运行最平稳，随着流化气速增加固体循环量出现剧烈波动。

为实现宽流量范围下气液两相流的高效分离，基于螺旋线理论设计出了一种新型蜗壳式多通道旋流分离器，并对其结构进行了优化设计。采用数值模拟方法将其与传统单入口气液旋流分离器进行性能对比，结果表明，新型蜗壳式多通道旋流分离器能有效解决单个入口所引起的空气核偏心现象及振荡问题，分离器内流场在不同入口含气率条件下均具有显著的轴对称特点，稳定性也更高，溢流带液量明显下降。虽然整体压损更大，但能够有效抑制二次流的产生，且在入口含气率越高时抑制效果越明显。

煤炭超临界水制氢技术在高温高压条件下利用超临界水充分气化煤炭，实现了高效低排放的转化和制氢过程。为解决因反应器内复杂多相流行为导致的仿真耗时问题，以及常见代理模型时序预测时间短、精度下降快等问题，提出基于本征正交分解（proper orthogonal decomposition，POD）和Koopman理论的深度学习模型POD-Koopman，用于捕捉和学习反应器内复杂流场的长时时空演变特征，实现数据驱动的长时滚动预测。测试结果表明其能在较小计算开销下准确滚动预测反应器内多相流场时变行为，助力下游制氢反应器工业化设计及优化任务。

采用真实流体状态方程的伪势格子Boltzmann方法大密度比多相流模型，模拟了重力作用下的单液滴在圆柱壁面上的运动过程。计算结果表明，随着圆柱壁面疏水性沿重力方向逐渐增强，液滴运动过程可分为铺展和滑落两个阶段。壁面浸润性分布及其变化率均会影响液滴运动过程，当液滴运动至圆柱下半部分时，其平均速度、最大速度、附着长度和液滴高度等参数随时间变化开始发生分化。此外，当液滴开始及完全运动至圆柱下半部分时，其所受附着力的水平及垂直分量分别达到最大。这些发现为深入理解液滴在圆柱壁面上的运动特性提供了重要的理论支持。

天然气水合物（又名可燃冰）是海底储层常见的一种非常规浅层气藏，具备泥质、低渗等特点，实现其安全高效开发具有重要现实意义。在水合物开采过程中，气体渗流及水合物分解行为都会发生动态变化，两者的复杂耦合作用决定了水合物储层的产气效率，但目前缺乏对其动态耦合预测模型的研究。因此，需要进一步分析天然气水合物储层降压开采过程中气体渗流与水合物分解行为。使用南海土在岩心夹持器内重塑了泥质低渗的水合物储层，探明了降压开采特性以及储层压力的影响，并创新性提出包含储层压力、水合物分解以及产气流量等关键指标的水合物降压开采预测模型，实现了泥质低渗水合物储层渗流与分解时空关联与高精度预测，相关系数（R²）均为99％以上。本结果可为实地优化调控降压开采水合物提供理论指导。

基于再生冷却技术研究背景，在热通量100~2000 kW/m²、常压~6 MPa条件下，于Ф4 mm×1 mm高温合金钢圆管内开展了高密度吸热型碳氢燃料JP-10的流动换热特性和热裂解结焦特性实验研究。研究表明，压力2 MPa下，1204.6 kW/m²是煤油发生偏离核态沸腾的临界热通量。亚/超临界压力下JP-10部分流动换热区域可划分如下：入口效应区、强制对流换热区、（拟）过冷沸腾区、（拟）饱和沸腾区等。流体温度是主导燃料结焦的主要因素。压力2、4、6 MPa下，燃料结焦起始点流体温度分别为679、652、643℃。壁面温度在高结焦反应发生后对结焦量产生同步影响。压力升高，燃料管内结焦加剧，高温燃料在管道内停留时间增加是主要原因。

质子交换膜燃料电池在装配过程中，气体扩散层（GDL）会因为装配压力产生形变而侵入流道。基于流体体积法建立截面形状分别为矩形、梯形和正方形的流道在GDL不同侵入程度下的数值模型，并对其进行气-液两相流行为研究，得到了液体滞留、排水效果、GDL面传质面积等方面规律。GDL侵入流道时，液体在排出过程中破碎程度减小，液体更容易积聚在一起，影响液体滞留效果。矩形截面流道排液时间更长，梯形和正方形截面流道液体排出时刻滞后。GDL侵入流道时，进气流速的增加使得较为聚集的液体排出速度稳定，并未大幅减小。GDL侵入流道程度较大时，矩形截面流道更多液滴黏附在流道侧壁与GDL面使得GDL面覆盖率较大，梯形截面流道顶部会形成稳定的薄膜流，排液速度大且GDL面覆盖率小。

海水中的盐离子成分阻碍水合物成核进程，使得水合物法海洋碳封存耗时长、封存比率低。结合水合物非均相成核特征考虑，认为在局部区域内实现水合物优先成核，进而带动大片海域内水合物扩展生成的封存方法极具工业可行性。因而，开展海水水合物强化生成方法基础研究是推进水合物法海洋碳封存应用落地的基础。基于此，以高效、高转化率生成水合物为目标，在实验室尺度分别探究了高过冷度、添加剂四丁基溴化铵（TBAB）以及变温速率对海水水合物生成特性的影响。结果表明，受到盐离子抑制作用，400 m深度海水中水合物自然生成难度极大，而提高生成过程的过冷度可增强水合物生成驱动力；热力学添加剂TBAB难以显著改善海水水合物的生成条件，但可使生成速率有所提高；0.3 K/min降温速率下的水合物转化率分别是过冷度作用和添加剂作用下的1.28倍和1.19倍。在后续研究中，应考虑多种强化生成方法的耦合作用效果，开发更能缓解海水水合物生成难题的技术手段。

对自主设计的10 MW_th化学链燃烧装置进行了全流程全尺度的计算颗粒流体力学（CPFD）模拟，得到了系统内详细的气固两相流流体动力学信息。首先基于经典实验验证了各曳力模型的可靠性，利用优选的EMMS-Yang曳力模型对系统进行了全流程模拟，分析了系统内的压力平衡，之后分析了系统内的固体循环流量，反应器内固含率分布、压力分布等关键参数，补充了实际运行过程中难以测量的细节信息，同时可以指导操作条件优化及反应器调控策略。模拟结果显示，系统实现了良好的压力平衡，空气反应器出口固体循环流量达到103.80 kg/s，燃料反应器出口固体循环流量达到40.10 kg/s，底部返料阀返料顺畅，使得系统快速达到稳定运行状态。

水气转化是煤炭超临界水气化技术中关键的均相化学反应。然而，水气转化反应对煤颗粒孔隙内非均相气化反应的影响尚不清楚。通过三维数值模拟，研究了颗粒孔隙内部水气转化反应对不规则煤颗粒超临界水气化过程的作用机理。研究结果表明，孔隙内的水气转化反应掉了大量用于煤的非均相气化反应的超临界水，降低了颗粒的气化反应速率，同时大量生成二氧化碳并富集于颗粒孔隙中，减小了孔隙中超临界水的扩散系数。定义了有效气化因子以定量表征水气转化反应对颗粒气化的抑制程度，发现了该抑制作用随颗粒粒径的增大而增强，且由于该抑制作用而增加的颗粒气化反应时间与有效气化因子呈简单对数关系。

利用外源氮气加压的方式实现了水热过程温度-压力解耦，考察了亚临界水热过程有机物组成和初始水热压力对污水污泥中磷形态转化的影响，同时验证了该过程中生成蓝铁矿的可行性。污泥模化物水热实验表明，初始水热压力强化了磷富集于水热炭中，促进了葡萄糖和蛋白质转化为还原性物质，从水热炭中观察到较强的蓝铁矿X射线衍射峰。城市污泥水热实验表明，水热处理有利于磷富集于水热炭中，压力强化了磷向水热炭迁移，总磷（TP）浓度从31.45 mg/g（0.1MPa）提升到39.68 mg/g（1.0 MPa）。水热温度110℃时，增加初始水热压力促进了污泥中Fe(Ⅲ)-P向Fe(Ⅱ)-P转化，1.0 MPa水热炭中Fe(Ⅱ)-P浓度为原始污泥的6.31倍。提高初始水热压力促进了污泥中碳水化合物和蛋白质等有机物分解形成有机酸，使得水热液pH降低；蛋白质转化导致水热液中\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-\mathrm{N}浓度升高。同时，水热液氧化还原电位升高，说明有机酸等还原性物质被消耗，促进了三价铁还原，致使水热炭中Fe(Ⅱ)-P浓度升高，有利于蓝铁矿生成。增压条件下，污泥水热炭XRD衍射图中观察到了蓝铁矿的特征峰，说明采用温度-压力解耦水热方法可以生成蓝铁矿。本研究为污泥磷资源回收提供了新思路。

电场作用下的液滴燃烧是研究静电喷雾燃烧的基础。设计搭建了电场作用下燃料液滴燃烧实验装置，通过可视化手段研究了竖直电场中生物柴油液滴的燃烧行为，分析了不同电场度下的火焰形貌、液滴形态演变特征及液滴燃烧规律。结果表明，电场力与自然浮力的竞争决定了火焰形貌，随着电场强度增大，向上火焰、准球形火焰和向下火焰相继出现，表现为上火焰高度减小、下火焰高度增大、火焰宽度先增大后减小、火焰锋面面积先减小后增大，其最大变化幅度依次为69.9%、243.1%、17.0%、10.9%。由于火焰锋面是燃料蒸气和氧气的反应区域，液滴的燃烧持续期随着电场强度增大而呈现先增大后减小的趋势，最大变化幅度为18.1%。

为进一步提升微生物燃料电池（MFC）的电化学性能，设计并搭建了一个中心脉冲气-液-固循环流化床微生物燃料电池（CPCFB-MFC），通过设计多组实验工况研究了脉冲液流频率和幅值、颗粒循环速率及气体流量对CPCFB-MFC产电及污水处理特性的影响。在中心液流脉冲频率为0.25 Hz、脉冲幅值为0.08 m/s、颗粒循环速率为3.3 kg/(m²·s）、气体流量为2 L/min条件下，CPCFB-MFC的输出电压达到最高(为649.2 mV），此时污水处理时间最短(为77 h）。通过对比不同工况的污水处理效率和综合能耗，证明了在反应器内采用脉冲液流和气-液-固循环运行方式能进一步提升MFC的综合性能。这项工作对推动微生物燃料电池技术的产业化具有重要意义。

重建了质子交换膜燃料电池（PEMFC）催化层的多孔结构，并通过格子Boltzmann Shan-Chen模型模拟催化层中水的毛细冷凝过程，分析运行湿度和液态水分布对质子传导、电化学活性面积和气体传输的影响规律。基于开发的耦合阴极氧传输、质子传导及电化学反应的介尺度电化学模型解析不同操作条件下催化层中的物理量分布并获得了催化层极化曲线，进一步研究确定催化层运行的最佳相对湿度为95%~98%。