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1、研究生课程考核试卷（适用于课程论文、提交报告）科 目： 动力工程及工程热物理前沿 教 师： 良举等10位老师 姓 名： 学 号： 专 业： 动力工程及工程热物理 类 别： （学术） 上课时间： 2014 年9月至2014年 11月 考 生 成 绩：卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语： 阅卷教师 (签名) 动力工程及工程热物理前沿1.宇宙乾坤 能量密码 天人合一良举宇宙无限大吗？在晴朗的夜晚仰望星空，是件非常惬意的事。但是，有多少人去仔细想过，为什么夜晚的天空是黑暗的呢？“这还用问，晚上没有太阳”。“可晚上有星星，星星也发光”。“星星的光太弱了”。“如果星星布满整个夜空呢？”。对呀，如果星星布
2、满夜空，晚上的天空就一定是明亮的了。为什么星星没有布满整个夜空？这是德国天文学家奥伯斯于1823年在思考的问题，最后发展成为著名的奥伯斯佯谬。奥伯斯佯谬是个宇宙学的问题，是关于宇宙是有限或无限的问题。这个问题可以说在当今世界仍然是个未解之迷，或许如美国著名科普作家阿西莫夫所说：宇宙的层次是无穷的，人类可能永远都无法完全认识她。这正是宇宙的无穷神秘之处。能量密码物质是浓缩了的能量，能量就是释放了的物质，简单来说，能量就是宇宙中的一切。能量不能被创造也不能被灭亡，它只能从一个地方向另一个地方传递，从一种形式转变为另一种形式。热力学第一定律和热力学第二定律始终贯穿在能量密码之中，但是精彩的一笔是良举
3、老师提到关于宇宙循环和热二定律矛盾的地方，最终引出了热二定律的适用围，对多分子系统成立，却不适用于整个宇宙。这次课也告诉我们，科学是不断探索的，当下的很多理论存在很多的限制性条件，搞科研要寻根究底，不能固执迷信。能量体现在科学现象的各个方面。从流体力学的角度看，人不能两次踏入同一条河流，所以，我们应该珍惜生活中的点点滴滴；从传热学的角度看，物体要辐射更多的能量必须提高它的温度，为了给社会作出更大的贡献，人则必须要提高自己的素质和能力；从热力学的角度看，人生是一个不可逆的循环，从哪里来到哪里去，无情的熵增指引着前进的目的地；从泵与风机的角度看，人生只有经过加速才能提高力量；从反应堆物理分析的角度
4、看，中子存在散射与吸收，唯有淡定得与失才能临界。2.原子的世界加兴原子与原子结构原子非常小，其直径大约有千万分之一毫米，是由位于原子中心的原子核和一些微小的电子组成的，这些电子绕着原子核的中心运动，就像太阳系的行星绕着太阳运行一样，并且原子与宇宙任何黑色粒子相同。原子中除电子外还有什么东西，电子是怎么待在原子里的， 原子中什么东西带正电荷，正电荷是如何分布的，带负电的电子和带正电的东西是怎样相互作用的等等一大堆新问题摆在物理学家面前。根据科学实践和当时的实验观测结果，物理学家发挥了他们丰富的想象力，提出了各种不同的原子模型,如汤姆逊的枣糕模型，太阳系模型，波尔模型等。直到查德威克发现了中子，他
5、解决了理论物理学家在原子研究中遇到的难题，完成了原子物理研究上的一项突破性进展。后来，意大利物理学家费米用中子作“炮弹”轰击铀原子核，发现了核裂变和裂变中的链式反应，开创了人类利用原子能的新时代。核聚变核聚变，又称核融合，是指由质量小的原子，在一定条件下，发生原子弹互相聚合作用，生成中子和氦，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。原子核中蕴藏巨大的能量。根据质能方程E=mc2;原子核之静质量变化（质量亏损）。造成能量的释放。由较轻的原子核变化为较重的原子核，称为核聚变，如恒星持续发光发热的能量来源。相比核裂变，核聚变的放射性污染等环境问题少很多。如氘和氚之核聚变反应，其原料可直接取自海水，来
6、源几乎取之不尽，因而是比较理想的能源取得方式。目前人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。但是要想能量可被人类有效利用，必须能够合理的控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出；而触发核聚变反应必须消耗能量，因此人工核聚变的能量与触发核聚变的能量要到达一定的比例才能有经济效应。科学家正努力研究如何控制核聚变，但是现在看来还有很长的路要走。目前主要的几种可控制核聚变方式：超声波核聚变、激光约束（惯性约束）核聚变、磁约束核聚变（托卡马克）。太阳中心核聚变外的物质。物质无论是分裂或合成，都会产生巨大的能量。3.燃烧基础研究的机遇及挑战苟小龙HCCI均质充量压缩着火燃烧，就是柴油机在着火
7、前像汽油机那样形成均质混合气，消除扩散燃烧，采用较高压缩比压缩可控着火，实现近似等压燃烧；同时要具有良好的化学反应动力学效应，实现低温火焰快速燃烧，燃烧持续期短，燃烧效率高，可以同时保持较高的动力性和燃油经济性，达到高效、低污染的目标。与传统的点燃式发动机相比，它取消了节气门，泵气损失小，混合气多点同时着火，燃烧持续期短，可以得到与压燃式发动机相当的较高的热效率;与传统柴油机相比，由于混合气是均质的，有效的解决了传统均质稀混合气燃烧速度慢的缺点，燃烧反应几乎是同步进行，没有火焰前锋面，燃烧火焰温度低，可以同时降低NOx 和 PM 排放。HCCI的优点还包括它的燃料灵活性高。所以这一燃烧方式具有
8、重要的理论意义和广阔的应用前景。燃机燃烧效率的提升空间燃机在未来几十年仍将是移动式动力装置的主要原动机。 2011年，我国燃机年产量已达13.5亿千瓦，燃机的石油消费量约占我国石油总消费量的66%，我国石油进口依赖度已达54。燃机也是大气环境的污染源，发展高效清洁燃机技术是经济和社会发展的最大需求。燃机未来的发展将着重于改进燃烧过程，提高机械效率，减少散热损失，降低燃料消耗率；开发和利用非石油制品燃料、扩大燃料资源；减少排气中有害成分，降低噪声和振动，减轻对环境的污染；采用高增压技术，进一步强化燃机，提高单机功率；研制复合式发动机、绝热式涡轮复合式发动机等；采用微处理机控制燃机，使之在最佳工况
9、下运转；加强结构强度的研究，以提高工作可靠性和寿命，不断创制新型燃机变气门，变升程，变相位，甚至停掉几个缸的技术，都没能做到在行进中连续变缸径，但有等效的。美国能源部也要求大幅度提高燃机效率，2020 年重型燃机热效率由当前的 40%提高到55%。我国燃机油耗现状与上述国际先进燃机油耗法规标准还存在很大差距。4.分子动力学模拟极其应用朝分子动力学模拟的初始条件和边界条件系统的初始位形和初始速度可通过实验数据、理论模型或两者的结合来确定。如果模拟系统无固定晶格结构，则每个原子的位置可用舍选法或Petropolis等方法从初始密度分布n(r)得到；每个原子的初速度可从初始温度分布Tc(r)下的Ma
10、xwell-Boltzmann分布来随机选取。对于流体分子系统，粒子的初始速度按高斯分布来选取比较合理。物体的宏观性质是大量粒子的统计行为，模拟系统的粒子数必须非常大才能准确地再现系统的行为。分子动力学模拟采用周期性边界条件的假定。取模拟系统为中心元胞，一般为立方体，体系中含有几百至上万个粒子，使中心元胞在三维空间上重复排列，于是系统粒子的象粒子将在三维空间周期性出现，体系势能包括粒子与象粒子间的相互作用在。应用周期性边界条件后，整个体系就变得粒子数赝无限了。周期性边界条件是一个近似，它给体系强加一个实际并不存在的长程序，如果是带电粒子系统还会人为造成极化。显然元胞所含粒子数N不能太小，否则将
11、因边界条件的影响而极偏离实际情况。分子动力学模拟对于MD与MC模拟来说，其关键的问题是提供准确的粒子间吸纳互作用的位能，一般来说，由于模拟算法的不断成熟与完善，越准确的位能，理论上就能提供越精确的结果。在当今的分析模拟中，已有的经验型位能参数已经无法满足大多数模拟的需要，随着计算机能力的不断加强与计算量子化学的发展，提供量子化学计算粒子间的相互作用能量已经成为获取位能参数的有效方法。分子模拟顾名思义是在分子水平上的模拟，他所研究的体系在时间和空间上也是有限的，目前最好的模拟水平也是停留在上万个原子（分子动力学）或及报个原子（计算量子化学），时间最长的也在几百纳秒左右。对于分子模拟来说找到一个合
12、适的分析模拟结果的方法是非常关键的。因为通常模拟的轨迹文件仅仅包含各个粒子的位置、速度和力的信息，只有通过一定的方法对这些信息进行后处理才能才能得到和实验结果可比的物理量，最常见的统计量有径向分布函数，结构因子，配位数，均方位移，扩散系数，速度自相关函数，电导率，剪切粘度，热导率等。5.世界能源发展趋势及中国能源发展战略冉景煜世界能源发展趋势国际能源格局正在经历深刻调整，呈现出国际能源消费重心向东转移、能源地缘政治斗争继续、向低碳清洁能源转型、重视非常规能源等特点和趋势。金融危机的爆发对发达国家能源需求的冲击相对严重，且受经济和人口增长放缓、能源结构调整等影响，美欧石油需求出现疲软。新兴国家正
13、处于经济高速发展期，城市化进程加快，因而能源需求不断攀升。世界石油需求重心东移，需求增长大多来自发展中国家，且主要集中在以中国和印度为主的亚太地区。气候变化是人类面临的长期性挑战，能源作为最大的碳排放源成为解决全球气候变化的核心。全球能源体系转型迫在眉睫，发展绿色经济、低碳技术、清洁能源、新能源成为国际社会的共识，各国都在加快向低碳清洁能源转型的步伐，发展核电、电动汽车、太阳能、风能、水能和生物质能等，推广节能技术以提高能源使用效率，有实力的国家还在进行碳捕获、储存和利用以及智能电网等方面的探索。抢占新能源技术制高点成为新一轮能源革命的关键。中国能源面临的挑战与发展问题我国能源资源的总量虽然较
14、为丰富，但人均占有量低于世界平均水平，石油、天然气等优质能源相对较少。我国能源资源的禀赋和现状，与经济社会快速发展的需求相比，存在较大的差距，这对能源发展提出了严峻的挑战。第一，能源资源瓶颈制约日益突出。第二，节能减排的压力越来越大。第三，能源增长方式迫切需要转变。随着新一轮能源技术革命的发展，可再生能源将得到更大规模利用，电能占终端能源消费比重将大幅上升，其在发展清洁能源、促进低碳经济中的作用将更加显著。因此，提高全社会电气化水平和能源资源利用效率是需要我们认真研究的重要问题。6.大型循环流化床燃烧技术发展卢啸风循环流化床洁净煤燃烧技术常压循环流化床发电技术是国际上公认的商业化程度最好的成熟
15、技术，这种技术是八十年代发展起来的一种新型洁净煤燃烧技术，它为处理高硫煤和劣质煤及满足严格的大气排放标准带来了美好的前景。循环流化床洁净煤燃烧技术具以下优点：1）燃料适应性广2）负荷调节性能好，负荷调节幅度大3）环保指标优越循环流化床洁净煤燃烧技术的污染控制成本是很有竞争力的，是已经为世界各国公认的较为成熟而最有前途的洁净煤燃烧技术。循环流化床技术的优点作为近三十年发展起来的一种新型洁净煤燃烧技术，CFB 技术得到了迅猛发展， CFB燃烧技术具有许多其它燃烧方式所无法比拟的优势，具体表现在：1）燃料适应性广。可以采用固定和悬浮燃烧方式难以正常燃烧的低热值（灰分大于 60%）低挥发性劣质无烟煤、石煤、煤矸石、泥煤、油页岩、石油焦、污泥、生活垃圾以及各种农林废弃物等劣质燃料或废弃物。2）燃烧效率高。CFB 锅炉的燃烧效率可达9799%，与煤粉锅炉的燃烧效率相当，且炉膛截面热强度和容积热负荷高。3）可实现炉高效脱硫。目前通常认为 C
