为充分展示能源与动力工程系2025年度科研工作进展，集中呈现学科领域创新性突破与标志性成果，强化科研成果的宣传推广与转化应用，激发师生创新活力、营造良好学术氛围，能源与动力工程系组织开展“能源与动力工程系2025年度亮点科研成果”评选活动。以下11个成果进入师生投票环节，成果展示为随机顺序，不分先后。诚挚邀请您为认可的成果投票！

　　投票方式：

　　请选出您认为最具突破性和创新性的3-5项成果，并在文末参与问卷星投票。

　　投票时间：

　　2025年12月29日-2026年1月5日

　　成果01

　　7N级超纯氢制取与示范应用

　　成果简介：

　　高纯/超高纯H是我国芯片半导体行业（电子特气）所必需，关乎中美交锋核心领域。高效H制取与净化是工业气体中上游核心技术，是实现H高纯安全供应的基础。基于密度泛函理论(DFT)通过分子动力学模拟(AIMD)解释LaNi失活因素，据此提出增加Al配比、表面氟化、升温运行以增强对CO、HS杂质耐受，据此合成了LaNi4.3Al0.7合金氢气直接吸附吸附剂，可以从各类贫氢-富氢场景选择性吸附氢气。重构了单塔-双碳-四塔氢气直接净化分离新工艺实现了氢气纯度≥99%、氢气收率≥93%双高，进一步提出中温氢气吸附耦合钯膜分离温场协同制取超纯氢，设计建设了氢气直接吸附-膜分离高效联合提纯设备，于深圳燃气、成都博能氢能科技公司开展了管网掺氢（掺氢10~15%）末端氢气提纯示范，实现了氢气纯度99.99999%(7N)，达到电子特气品质；实验验证了设备寿命大于8000小时。该成果被评价为“突破了镧镍铝氢气直接吸附剂中温耐毒机理、成型、工艺与装备一体化技术，与钯膜分离温场协同实现了超纯氢纯化”，为从低浓度混合气中高效提取超高纯电子级氢气提供了新实践路径。

　　成果02

　　跨尺度多相介质空化与空泡动力学

　　成果简介：

　　本年度，团队围绕“跨尺度多相介质空化与空泡动力学”开展系统研究，在以下三个方向取得重要突破：

　　一、微观界面稳定性机理

　　研究揭示了亲水性粗糙钢表面纳米气泡的形貌与基底几何形貌之间的关联性，突破了传统理论对纳米气泡在亲水表面行为的认知局限，为理解实际浸润性条件下气核的生成与稳定机制提供了关键实验依据，对微纳界面设计与调控具有重要科学价值。

　　二、空化泡-颗粒相互作用机理

　　在空化与多相流动力学方面取得两项重要进展：一是首次阐明了边界层流动对空泡诱导壁面颗粒运动行为的关键调控作用，揭示了近壁区颗粒起动的流固耦合机制；二是发现了非对称涡对中重惯性颗粒的动态“捕获-泄漏”竞争规律，深化了复杂涡结构输运颗粒的理论认知。这些成果为工业设备中的颗粒沉积控制与表面防护提供了新原理。

　　三、极端条件空化行为的主动调控与应用拓展

　　团队提出利用表面微结构调控空泡溃灭形态与射流方向的方法，实现了对高能空蚀破坏的可控疏导，为水力机械抗空蚀设计开辟了新途径。同时，通过系统解析离心血泵启动过程的多相流动特性与血液相容性，推动了空化动力学与生物医学工程的学科交叉，为高端医疗器械的研发提供了重要科学支撑。

　　成果03

　　46MW大容量单级单吸立式离心泵

　　成果简介：

　　本成果依托环北部湾广东水资源配置工程地心泵站工程，针对特大流量离心泵叶轮与导叶设计不匹配导致流动损失大、叶轮-蜗壳动静干涉导致压力脉动强、叶轮狭窄流道制造和运行状态监测难等行业技术难题，采用理论分析、数值模拟、模型试验、制造工艺、监测技术等手段开展了系统研究，研发了46MW大容量单级单吸立式离心泵（世界最大容量），形成了具有自主知识产权的特大流量高扬程立轴离心式水泵成套技术。创新点如下：

　　（1）发明了叶轮出口流体环量衰减的离心泵水力设计方法，推导了无叶区环量分布的解析解，突破了叶轮出口和导叶进口等环量假设的局限，为显著提升离心泵效率奠定了理论基础。

　　（2）发明了长短叶片、S型出口仿生叶轮，大幅降低了叶轮出口空间流动不均匀诱导的高压力脉动，减小了水力损失，提高了离心泵运行稳定性。

　　（3）发明了分铸成型-整体组焊水利工程叶轮制造技术、水压端面自平衡式主轴密封结构，研制叶片表面水压非接触同步监测系统和静动平衡调节系统，实现叶轮无裂纹、叶轮零配重、主轴无泄漏和内流场实时监测。

　　研究成果入选2025年国家能源局首台（套）重大技术装备名单，并预计2026年投产运行。其成功研制与应用，标志着我国在大型离心泵自主设计与制造领域取得重大突破，打破了国外长期的技术垄断，填补了国产高端大泵的空白，保障了国家重大工程核心装备的自主可控。

　　成果04

　　高负荷压气机及压缩系统设计技术

　　成果简介：

　　（1）方法体系构建：提出了通流/CFD一体化优化设计方法，搭建了基于神经网络与遗传算法的叶片气动优化设计平台。构建了涵盖全流道特征的高负荷压气机参数化方法体系，发展了基于中弧线+厚度分布的叶型参数化方法、端区圆弧偏移的积叠线参数化方法、叶型前/尾缘端弯参数化方法及基于自由变形的多型面一体参数化方法，实现了物理特征与几何参数变量关联，将传统经验设计转化为可追溯的数字化流程，为新一代高负荷压气机的智能设计奠定方法基础。

　　（2）预测模型完善：针对现代高负荷压气机复杂宽工况研究需求，基于S1流面受力分析，构建了考虑激波影响的落后角修正方法，提出了一种跨音动叶落后角模型，发展了适用于低雷诺数工况的损失、落后角及堵塞模型，提高了通流方法对跨音工况和低雷诺数工况性能的预测精度。

　　（3）工程方案设计：技术应用于专项300MW压气机优化设计，改善了跨音动叶流动性能、抑制分离，提高了跨音多级压气机设计工况效率>0.3%；应用于某重大装备研制项目多台压气机串并联增压系统，建立了多台压气机串并联系统通流匹配分析方法，揭示转速、可调导叶、管路阀门等匹配机理，提出了多参数协同运行窗口，优化了系统匹配运行效率，提出了多台压气机同步启停运行控制策略，支撑了该增压系统设计分析与运行控制；应用于东汽某型号燃机压气机设计，通流设计方案14级设计点压比达20.4、效率≥88%。

　　（4）科学价值：高负荷压气机及压缩系统设计技术为重型燃气轮机、压缩空气储能等应用场景提供了关键支撑，实现了高效高负荷压气机的完全自主化设计能力，其核心性能指标已达到国际先进水平。

　　成果05

　　高温极端工况下动力装备的智能冷却解决方案

　　成果简介：

　　针对动力设备中极端热负荷的挑战，揭示了诸多场景中湍流各向异性对热部件中近壁冷气输运的控制机制，融合该机理机制和多源数据采用人工智能方法发展了物理信息嵌入的智能代理模型，提出了近壁射流冷却的智能化优化方法，将冷却结构设计迭代周期缩短至原来的几十分之一，搭建的智能冷却设计优化平台能应对数千开尔文的高温冷却问题。该成果获得了20项专利、5项软件著作权和110多篇论文，2025年获得德国纽伦堡国际发明展银奖。

　　成果06

　　超声速射流激波剪切层作用机理及二氧化碳热泵技术

　　成果简介：

　　利用超声速流体的射流引射掺混作用，可实现增压输运、流体混合和节流降温等调控过程，被广泛应用于航空航天、制冷热泵、燃料电池等领域。本团队以激波-剪切层干涉作用机理为核心科学问题，建立了受限空间内超声速射流激波全新理论描述体系，深入揭示了激波发展规律及激波-剪切层作用机理，发展了基于引射作用的多过程流动调控方法；在喷射器节流、蓄热能量暂存与利用以及系统集成与调控方面取得了重要原创性成果；研制了10~300kW跨临界二氧化碳热泵系统。成果在我国新一代液体火箭发动机预冷方案设计和工程中得到成功应用，在中石油、美的集团、东方电气、潍柴动力落地应用。相关研究成果发表于J. Fluid Mech.、J. Comput. Phys.、Applied Energy，获2025年中国工程热物理学会自然科学一等奖、2025年中国节能协会技术发明特等奖。

　　成果07

　　空天动力超临界CO冷却与发电一体化系统关键技术

　　成果简介：

　　本成果面向新一代水平起降超高速飞行器动力系统的热防护和电力缺口问题，创新提出基于超临界CO布雷顿循环的热防护和热利用一体化设计思路，建立了主动冷却/发电系统与发动机集成方案，攻关突破了超临界CO换热器等关键部件设计与研制技术，研制了传热功率密度达38.5kW/kg的高热重比超临界CO-燃油换热器，较国际公开报道的最高水平提升约35%。创新运用超临界CO循环技术将飞行器来流和发动机壁面的高温热能转化为电能，完成了系统方案设计与原理实验验证，在实现主动冷却的同时有效满足平台电力需求。该成果为未来超高速水平起降飞机、先进陆空两栖平台等装备的能量管理提供了创新方案。相关研究成果发表于Applied Energy、Energy、Advanced Materials

　　成果08

　　煤矿风排瓦斯高效催化氧化技术

　　成果简介：

　　甲烷是全球第二大温室气体，煤炭开采占我国甲烷排放总量的30%以上，如何高效率、低成本处置煤矿超低浓度风排瓦斯（<0.5 vol%）成为亟需攻克的难题。本技术提出采用流态化催化氧化方法（FCO）耦合经济高效矿石/固废基催化剂对风排瓦斯实现规模化处置，设计筛选出以矿石为原料的甲烷转化催化剂，T90<550 ℃；在此基础上首次建成了10000 m3/h处理量的FCO中试平台，完成了72小时连续稳定运行，验证了技术可行性。经山西省科技厅创新创业服务中心组织专家鉴定，认为成果达到国际先进水平。成果的主要创新点如下：

　　（1）将工业固废/矿石原料用于规模化制备催化剂，成本与传统蓄热式催化氧化技术使用的催化剂有显著降低，首次建成万方级流态化催化氧化中试平台并实现稳定运行；

　　（2）充分利用循环流化床优异的传热传质特性，将廉价的固废/矿石基催化剂颗粒作为床料实现蓄热和催化双功能，最大限度避免传统蓄热式固定床催化氧化反应器中的局部过热风险，降低因烧结、积碳、表面污染等引起的催化剂失活；

　　（3）易于放大，适合于大风量气体处理。流化床技术成熟，在煤电、化工等领域具有成熟的大型化运行案例，对瓦斯风量及浓度具有良好的波动适应性。

　　在我国大力开展甲烷排放控制和煤矿风排瓦斯规模化处置技术缺乏的宏观背景下，该技术的推广应用有望实现大规模超低浓度瓦斯气体的排放控制，为我国煤矿低碳转型提供重要的技术支撑。

　　成果09

　　灵活循环流化床发电技术

　　成果简介：

　　理论突破：揭示了循环流化床（CFB）锅炉变负荷过程中恒温动态热质传递本质，掌握了CFB锅炉能量积蓄、传递与调控机制，打破了传统上对CFB锅炉热惯性大导致启动速度慢、负荷变化速度慢的固有认识，拓展了CFB锅炉灵活性潜力的认知边界。

　　技术创新：研发了锅炉蓄能技术和基于燃烧-循环干预的负荷调节技术，发明了CFB锅炉长周期压火热备和快速变负荷相关装置，攻克了煤电机组超低蒸汽流量连续稳定运行、无辅助能源快速变负荷、全负荷污染物排放控制等系列难题。

　　工程引领：技术应用于多台300MW级亚临界及超临界CFB煤电机组，相关技术指标突破了目前国家最好水平。第三方测试结果表明，汽轮机不解列、不依靠外部辅助能源及燃料条件下，机组近零电功率输出旋转备用时间超过2小时（长周期压火）；结束压火状态后，无需投油助燃即可快速启动，启动过程中机组连续爬坡速率超过3.5%Pe/min（快速再启）；纯凝工况无储能和无辅助能源条件下，机组高负荷区（50%-80%）、低负荷区（30%-50%）连续平均升/降负荷速率分别超过4.0%Pe/min、2.7%Pe/min（快速变负荷）；全过程尘硫氮污染物排放小时均值满足超低排放要求。

　　科学价值：积极响应了《新一代煤电升级专项行动实施方案（2025—2027年）》的技术要求，为提升风光等可再生能源消纳能力、保障电力系统可靠稳定运行、构建清洁低碳安全高效能源体系提供了坚实支撑。

　　成果10

　　基于AI的环境气体性质对LIBS信号影响规律研究

　　环境气体性质对LIBS信号影响的神经网络模型架构图

　　成果简介：

　　激光诱导击穿光谱（LIBS）技术因其无需样品预处理、实时多元素检测、可远程测量等优势，被誉为化学分析的“未来之星”。然而，LIBS的信号源是时空剧烈波动的激光诱导诱导等离子体，其特性受环境气体的剧烈相互作用影响。因此，理解环境气体性质对LIBS信号的影响规律对于等离子体，对于改善LIBS信号质量进而提高LIBS定量性能至关重要。传统的研究方法通过控制每个气体性质（分子量、比热容比、电离能等）独立变化，研究其对LIBS信号的影响。然而，由于气体种类有限、气体性质众多且性质之间存在复杂耦合，难以通过实验手段控制环境气体性质发生独立变化。

　　本成果摒弃传统“控制变量”实验法的思路，借助神经网络建立环境气体性质和LIBS信号的映射关系。先通过大量混合气体实验建立基础数据库，再建立Kolmogorov-Arnold Network (KAN)网络模型，该模型在保持高精度的同时，具有更好的简洁性和可解释性，更适用于挖掘物理量之间的映射关系。神经网络模型从数据中学习内在规律，最后通过构造模拟数据实现单一变量的控制，从而剥离出每个性质的独立影响。结果表明比热比对信号强度的影响最大，电离能次之，分子量、导热系数和粘度影响较小；比热比对信号RSD的影响最大，电离能和分子量次之，导热系数和粘度影响较小。基于此结果，进一步从激光-样品-等离子体-环境气体之间相互作用过程的角度解释了气体性质对信号强度和RSD的影响机理。

　　成果发表在《Analytical Chemistry》上，首次在LIBS及光谱领域将人工智能应用于复杂物理机制探究而非单纯定量分析，并通过构建传统实验方法无法获取的完整数据集，为人工智能在复杂物理关系探索中的应用开创了新的范式。

　　成果11

　　湍流多尺度结构相互作用的研究

　　成果简介：

　　发展湍流和两相流动力学的统一理论，是《Science》杂志列出的125个最重要但尚未解决的前沿科学问题之一。与此同时，含相变的多相湍流和含高聚物的复杂湍流流动，作为湍流多尺度结构相互作用的核心内容，也被《中国力学2035发展战略》列为关键科学问题。针对这类问题，本年度孙超团队在含相变和含高聚物的多相湍流系统中对相变的统计特性和湍流结构展开了系统性研究。在含相变行为的多尺度湍流研究方面，通过可控实验、精细理论建模和直接数值模拟相结合，揭示了多孔海冰向致密冰层转变的长期演化过程，阐明了扩散排盐主导的海冰老化机制，并提出了海冰演化的三方程预测模型。在含高聚物的多尺度湍流研究方面，发现了粘弹性流体从弹性湍流向弹惯性湍流连续转变的物理过程，量化了弹性应力和惯性对角动量输运的贡献，建立了描述从弹性不稳定性到弹惯性不稳定性的连续转变的理论模型。相关研究工作发表于PRL、PNAS、JFM等高水平期刊，其中海冰老化工作入选编辑推荐，并得到了美国物理学会（APS）旗下的物理杂志（Physics Magazine）的特别报道，被评价为“可以增强气候模型的预测能力”。该系列工作突破了学科认知边界，为优化管道运输、水下航行器减阻、跨介质航行器设计等工业应用提供了理论依据，对深入理解全球气候变化和冰冻圈演化等地球物理过程具有重要意义。

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　　编辑｜宋婷婷

　　审核｜麻林巍

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