黑龙江科学技术奖自然科学类推荐书浙江大学化工学院.docx
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黑龙江科学技术奖自然科学类推荐书浙江大学化工学院
黑龙江省科学技术奖（自然科学类）推荐书
（2016年度）
一、项目基本情况
专业组
动力电气组
成果登记号
项目名称
跨尺度湍流及水力机械内复杂流动机理研究
第一完成
单位
哈尔滨工业大学
第一完成人
李小斌
推荐部门
联系人
陈毅恒
电话
手机
声明：
我部门严格按照《黑龙江省科学技术奖励办法》及其实施细则的有关规定和黑龙江省科学技术奖励工作办公室对推荐工作的具体要求，对推荐书内容及全部附件材料进行了严格审查，确认本项目符合《黑龙江省科学技术奖励办法实施细则》规定的推荐资格条件，推荐材料全部内容属实,且不存在任何违反《中华人民共和国保守国家秘密法》和《科学技术保密规定》等相关法律法规及侵犯他人知识产权的情形。
如被推荐项目发生争议，将积极配合工作，协助调查处理。
我单位承诺将严格按照黑龙江省科学技术奖励工作办公室的有关规定和要求，认真履行作为推荐部门的义务并承担相应的责任。
推荐部门公章
年月日
学科分类
名称
一级学科
动力与电气工程
代码
470
二级学科
工程热物理
代码
47010
三级学科
代码
所属国民
经济行业
研究与试验发展
代表性论文（著）最近一篇发表时间
年月日
所属重点
产业
所属技术领域
项目来源
□国家计划（基金）□部委计划□省科技计划□厅/市计划□横向合作□自选
黑龙江省
科技计划
（基金）
计划（基金）
名称
项目名称
计划（合同）
书编号
项目起止
时间
起始：
2004年06月01日
完成：
2014年2月20日
二项目简介（概述表中的内容，限1000字）
1.主要研究内容
本项目组一直致力于解决不同尺度湍流及水力机械内部湍流流动中的关键科学问题，形成了完整的理论体系。
项目的主要研究内容有：
1）复杂微尺度条件下湍流流动结构与传质强化机理；2）基于计算流体动力学的大型水力机械内复杂三维湍流结构与空化机理研究；3）非稳态与连续变工况条件下离心泵内复杂流动规律的研究及数值建模；4）非稳态甩负荷工况下水泵水轮机内流动结构与外特性研究的高精度建模；5）受热物性影响的三维湍流结构与动量传输的研究与实验方法。
2.发现点
本项目的主要发现点有：
1）揭示了极低雷诺数（Re）条件下具有特别边界约束的湍流流动及传质强化机理，提出了弯曲几何结构内的标量湍流输运模式。
2）建立了大型水力机械内部湍流结构与空化机理研究的数值方法，提出了空化流动对外特性的影响模式。
3）提出了模拟离心泵快速变工况条件下内部流动瞬态演化的动态滑移区方法（DSR），提出了闭环泵-管网的数值建模方法，揭示了离心泵在快速启动和排出阀快速开启过程中流场演化与外特性变化规律。
4）提出了模拟水泵水轮机非稳态甩负荷条件下内部流动演化的网格重构与非保角网格边界方法，建立了壁面各向异性湍流的高精度数值方法，揭示了甩负荷时空化流动与压力脉动的演化过程。
5）建立了受热物性影响的三维湍流的实验方法，提出了壁面湍流猝发事件和湍流拟序结构与摩擦阻力系数之间直接定量关系的理论模型，深刻揭示了流体热物性对流动阻力的影响机制。
3.发现点的科学价值（发现的重要性，理论学说上的创见和研究方法、手段的创新程度，推动本学科或相关学科及分支学科发展的作用，对经济建设和社会发展的影响）
本研究内容丰富了跨尺度湍流和水力机械内部流动理论内涵，在电力行业、工业应用、军事和医学等领域具有重要价值。
所提出的复杂流动与控制机理，为特殊微重力条件下流体操纵与换热及大尺度流体机械内流动稳定性开辟了新的研究思路与途径。
研究中揭示的微流动控制机理、建立的湍流物理量定量关系式、阐明的内部流动瞬态演化过程及流体热物性影响机理，为跨尺度湍流理论研究及复杂流动控制的实际应用奠定了坚实的基础。
4.第三方评价结论
研究成果得到了许多国内外著名学者的广泛关注和评价，引用学者对本项目的主要发现点均给予了正面高度评价，充分肯定了项目中阐述的跨尺度湍流及水力机械内部湍流流动机理和所建立的理论与数值计算方法。
成果被J.Non-NewtonianFluidMech.、SoftMatter、LabChip、Chem.Eng.Sci.、Annu.Rev.FluidMech.、Phys.Fluids等国际国名期刊引用，引用者有葡萄牙波尔图大学F.T.Pinho教授、日本神户大学Suzuki教授、美国密西西比州立大学D.KeithWalters教授、KSMEInternationalJournal杂志主编、韩国延世大学Lee教授、ASME会士、美国斯坦福大学Mungal教授以及美国国家工程院院士、英国皇家工程院外籍院士Goldstein教授等著名学者。
5.与本项目主要发现点有关的论文共发表126篇，其中SCI收录61篇，EI收录65篇；他引总次数825次，其中SCI他引次数305次，EI他引次数520次。
三、重要科学发现（限5页）
此项是推荐书的核心部分，也是评价项目、遴选专家、处理异议的重要依据。
应围绕代表性论文（著）的核心内容，准确、完整地阐述重要科学发现。
各项科学发现按重要性排序，阐述前应首先说明该发现所属的学科分类名称、支持该发现成立提交的代表性论文或专著的附件序号。
1.项目研究背景和学术思路概述
湍流是一种可通过不同形式非线性效应诱发的多尺度混乱流动，湍流及其对流换热在各工业领域有着广泛的应用背景，如长距离输水工程、现代工业生产设备及化工领域管道流动、国民生产生活供热/供冷系统等。
随着工业过程与系统的日益复杂化和集成化，湍流流动从微小尺度到大尺度的范围内无处不在，比如微尺度条件下弹性诱发的湍流与大型流体机械内部的复杂湍流，在不同尺度的几何结构内，复杂的三维湍流流动将具有不同的流动机理和流动稳定性问题，并带来独特的应用前景。
由于复杂几何结构与流动的耦合、静止部件与运动部件绕流的相互影响，对这种多尺度混乱流动的研究较少或仍然缺乏有效的方法和手段。
因此，从流动现象的微观本质出发，深入开展跨尺度湍流及大型流体机械内复杂流动机理的基础研究工作，对于深刻认识不同尺度湍流现象的本质、实现流动不稳定性控制、发展新的瞬态不稳定流动研究方法，都具有重要的理论意义和应用价值。
本项目组研究人员通过试验研究、理论分析和数值计算相结合的方法，在微尺度复杂湍流与标量输运、大型流体机械内不稳定流动、瞬态变工况下复杂湍流模拟技术等方面进行了一系列基础研究。
按照规律与方法并重的指导思路，完成了如下工作。
（1）在实验研究方面，测试了连续弯曲微通道内不稳定流动的混合效果和标量输运规律、热物性变化的槽道湍流流动的统计特性和结构特性、大尺度流体机械内部空化流动演化。
（2）在数值模拟方面，提出了流动与管道联合的数值建模方法，建立了水力机械连续变工况条件下内部流动瞬态演化的数值算法。
（3）在理论分析方面，建立了槽道湍流摩擦阻力系数的定量描述理论模型、微尺度湍流流动中标量输运模式以及流体机械内部空化流动与压力脉动的演化模式。
本项目组已经取得了一系列重要的研究成果，这些成果形成了针对跨尺度湍流与流体机械内复杂流动机理研究方面的理论和研究方法体系，受到了流体动力学、湍流理论、化学与工业领域研究人员的认可。
2.项目研究成果的主要创新点
创新点一
揭示了极低雷诺数（Re）条件下具有特别边界约束的湍流流动及传质强化机理，提出了弯曲几何结构内的标量湍流输运模式，解释了湍流输运中标量梯度的演化过程及流动参数与流场结构的变化关系。
学科分类
力学-流体力学-湍流理论
附件序号
附件论文[1-1]、；附件引文[2-2]
研究背景：
对于牛顿流体的微尺度流动，其流动被约束为极低Re下的层流状态，传质和传热过程被抑制。
与高Re条件下的添加剂湍流减阻（Toms效应）截然相反，在微尺度流动中改变流体物性，可以获得微小尺度下的混乱流动，即弹性湍流，在弹性湍流携带下，流体混合效果极大加强，传质效果大幅提升，且存在明显的传热强化能力。
随着微流动在医学、化工、燃料电池和生物学等学科中的广泛应用，这种微尺度条件下的“反常”流动现象具有重要的学术价值和应用价值。
科学问题：
（1）流体热物性与流动结构之间的相互作用关系；
（2）复杂微通道内的湍流流动携带的标量输运规律。
科学发现A：
揭示了极低Re环境中微通道内的传质强化机理
与大Re条件下惯性湍流的诱发条件相类比，微小尺度内发生的湍流流动由粘弹性物性所驱动，在复杂结构的微通道内，粘弹性效应会和通道结构相耦合，两者相互作用不断促进非线性效应的增长。
实验研究和数值模拟研究发现，特定结构的微通道结构，可以使得流体混合长度比被动式混合减小2~3个数量级，而混合时间比分子扩散效应要减小3~4个数量级。
这些结果源于弹性诱发湍流的独特性质，即多尺度的湍流流动被降低为单一或少尺度的湍流形式。
科学发现B：
揭示了微通道内部湍流条件下标量输运的演化过程
通过对微尺度流动的直接数值模拟（DNS）研究，发现了弹性诱发湍流的标量输运与标量梯度演化的规律。
由于流体微观结构与流场结构的相互作用，传质过程受到强烈影响。
当流动非线性超过临界值之后，流动转为不规则的混乱形态，标量梯度的形式在近壁面区和主流区分别呈现线状和卷状的形式。
而流场变形与流体微观结构变形的概率密度函数（PDF）表明，由于壁面效应的存在，流体微观结构的主拉伸方向与流场的主变形方向相垂直。
科学价值：
本研究建立了使用热物性改变的方式实现微尺度传质强化的新方法，提出了标量传输的演化规律，为潜在的传热强化奠定了实验基础和理论基础。
创新点二
建立了大尺度水力机械内部湍流结构与空化机理研究的实验与数值方法，评价了雷诺平均模拟方法和大涡模拟方法对大尺度复杂结构内湍流的预测结果，提出了空化流动对外特性的影响模式，为水力机械运行的稳定性研究提供了理论支撑。
学科分类
附件序号
研究背景：
水力机械作为通用机械，其运行性能直接影响着国民经济与工业生产活动。
偏离设计工况运行时，水力机械经常发生空化和空蚀。
对于复杂结构内全三维空化流动性能预测，寻求有效且高效的数值方法，并使数值计算与实验结果相吻合，成为一项重要的研究课题，对于流体机械的水力稳定性控制具有重要的意义。
科学问题：
（1）适应于水力机械的空化多相流模拟方法；
（2）空化流动与外特性变化的内在联系。
科学发现A：
导出和论证了复杂结构内空化流动数值模拟方法
从湍流理论的基本路线出发，评价并论证了大涡模拟方法和雷诺平均模拟方法对空化流动的预测效果，并提出了使用多方程涡粘性模型与可压缩空化模型相结合的方法对空化流动进行研究。
数值预测和实验结果能够很好地符合。
科学发现B：
揭示了水泵水轮机在水泵工况下空化流动与外特性的内在关系
考虑偏工况运行时的水力特性，对典型的水力机械——水泵水轮机在水泵工况下运行的空化流动进行了实验研究和数值研究，均清晰捕捉到了空化泡的演化情况。
水泵水轮机在驼峰区运行时，空化泡将不断发展并堵塞流动通道，引起转轮内能量损失增加，压力脉动增强，从而导致流动效率急剧下降。
科学价值：
本研究比较并论证了不同湍流模型方法对于复杂结构内三维流动的预测结果，对于发生空化现象的流动，从机理出发引入可压缩流体空化模型将能很好地满足数值预测需求，同时对于水力机械的流动稳定性研究具有重要参考价值。
创新点三
提出了模拟离心泵在连续变工况运行时内部流动瞬态演化的动态滑移区方法（DSR），提出了闭环泵-管网的数值建模方法，揭示了离心泵在快速启动和排出阀快速开启过程中流场演化与外特性变化规律、以及瞬态预测与稳态模拟差异的内在原因，为研究流体机械水力特性动力学动态变化奠定了基础。
学科分类
附件序号
研究背景：
在叶轮机械的众多瞬变运行操作中，离心泵的启动过程与排出阀快速开启过程存在显著的压力脉动和动力冲击，可能对水力机械设施和动力系统产生危害。
瞬变运行具有入口流动和出口流动不稳定、叶片绕流加速或分离以及湍流斑等特征，而众多的研究由于难以获得瞬变流动而缺乏数值算法与实验研究，瞬变的外特征获取不能得到解决。
因此，研究更加准确的动态流动模拟方法可以为叶轮机械的稳定运行提供理论支撑，并对实验系统具有重要指导意义。
科学问题：
（1）复杂计算区域的动态耦合方法与动网格运动；
（2）水力机械瞬变流动产生的外特性变化。
科学发现A：
提出并论证了连续变工况运行时的动态滑移区方法
考虑叶轮机械瞬态过程叶轮旋转以及进出口流动不稳定特性，提出并论证了基于动网格及滑移面假设的变工况动态滑移计算方法，准确预测了离心泵启动过程的外特性及内部流场演化规律，该方法对于计算叶轮机械瞬变过程具有重要的指导意义。
科学发现B：
揭示了离心泵启动与阀快速开启过程中的瞬变流动的外特性变化
考虑叶轮机械启动、阀快速开启过程中流动和外特性的瞬变特性，对离心泵连续变化过程的内部流场和外特性演化特性进行了实验研究和数值模拟研究，对比分析了稳态计算与瞬态计算的外特性与流动结构差异，从流场演化的角度入手揭示了造成该差异的内在原因，为叶轮机械瞬变过程数值预测提供了理论依据。
科学价值：
本研究建立了基于动网格和滑移面假设的叶轮机械瞬态过程计算方法，揭示了瞬态预测与稳态模拟获得外特性的差异及其原因，为叶轮机械连续变工况运行的稳定性研究以及不稳定性控制奠定了理论基础。
创新点四
提出了基于液力耦合的水泵水轮机非稳态甩负荷过渡过程中内流场与外特性仿真计算方法，建立了基于压力梯度的网格重构方法以准确捕捉叶轮内部以及无叶区的失速涡结构，建立了基于壁面各向异性湍流的非线性瞬态计算方法，对于水轮机机组瞬变运行时的故障诊断具有重要意义。
学科分类
附件序号
研究背景：
可逆式水泵水轮机是抽水蓄能电站最重要的动力设备，其运行工况复杂多变。
作为瞬态过渡过程中最重要的环节，水泵水轮机驼峰特性是制约水泵水轮机安全、稳定运行的关键因素，而驼峰特性较为明显的水泵水轮机，在甩负荷后会出现水轮机空载运行不稳定现象。
而由于流动预测的复杂性，目前最常采用的瞬变特性研究方法为一元方法。
从机理出发，采用三维流动预测对甩负荷时水力不稳定性进行研究，于我国抽水蓄能技术的发展意义显著。
科学问题：
（1）非稳态过渡过程计算方法以及网格重构方法；
（2）水泵水轮机内复杂流动演化引起的水力瞬变特性。
科学发现A：
提出了液力耦合的非稳态过渡过程计算方法和网格重构方法
考虑水泵水轮机甩负荷过程叶轮受流体作用力实现变加速度旋转，提出了基于内流场求解叶轮受力以获得叶轮加速度的液力耦合过渡过程计算方法；为捕捉因流动瞬变过程引起的复杂失速涡，建立了基于压力梯度的网格重构方法用于捕捉水泵水轮机非稳态过渡过程内部复杂流动结构。
该方法对于预测水轮机等流体机械过渡过程流场及外特性的演化规律提供了理论依据。
科学发现B：
建立了基于壁面各向异性的非线性湍流特性的水泵水轮机过渡过程预测方法
考虑水泵水轮机甩负荷过程叶道涡、导叶失速以及尾水管涡带的非线性特性，建立了基于壁面各向异性的非线性湍流预测方法，揭示了甩负荷过程中内流场和外特性的演化规律，预测结果和实验结果一致。
科学价值：
本研究提出的针对连续变工况条件下内流场与外特性预测方法，充分考虑了因复杂结构引起的湍流各向异性，同时利用新的网格重构方法，可以适用于流体机械复杂瞬变运行的特性预测，对于水泵水轮机驼峰特性的预测更加准确，意义更加明确，为流体机械水力稳定性研究提供了重要的理论支撑。
创新点五
提出了受热物性影响的槽道湍流中壁面湍流猝发事件和湍流拟序结构与摩擦阻力系数之间直接定量关系的理论模型，深刻揭示了流体热物性对流动阻力的影响机制。
揭示了复杂流体的导热系数模型和流变学特性。
学科分类
附件序号
研究背景：
对于牛顿流体槽道内惯性湍流流动，在加入添加剂之后可以获得流动沿程阻力减小的效果，即Toms效应。
而对于此种减阻效应的机理问题，仍然存在争议，所以亟需相应的基础研究来回答热物性改变对流场结构和摩擦阻力的改变问题，对其实验研究与数值模拟研究仍然是国际学术前沿问题，并且对于开发新型的湍流减阻及传热强化流动工质具有重要意义。
科学问题：
（1）近壁面区湍流结构与流动阻力之间的关系；
（2）复杂流动工质的热物性。
科学发现A：
发现了变物性流体槽道湍流中以涡旋结构和近壁区低速条带为主的拟序结构
针对近壁面区湍流结构，完成了对变物性流体槽道湍流的测量实验，深入分析了减阻效应与流体粘弹性及湍流涡旋相互作用的关系，发现了近壁面区减阻湍流中以发卡涡和低速条带为主的拟序结构。
定量指出了拟序结构中低动量区倾斜角度随着粘弹性效应的变化而变化的关系，表明减阻效果发生时，湍流猝发事件的频率大幅度降低，同时雷诺应力受到了抑制。
湍流的涡旋结构不仅取决于减阻水平，且依赖于流体的热物性。
科学发现B：
定量揭示了复杂流动介质的热物理学特性
实验研究了受热物性影响的槽道湍流中湍流结构、热对流结构、湍流动量输运特性，深入分析了减阻效应出现时伴随的传热恶化现象，发现湍流输运被抑制是造成传热恶化的主要原因。
在此基础上，开发了同时能够实现减阻和传热强化的新型流动介质——粘弹性流体基纳米流体，并定量揭示了该复杂流动介质的热物理学性质，建立了导热系数模型和修正的粘弹性流体本构方程，模型考虑了流体热物性、接触热阻和温度等多重因素，为直接数值模拟的成功实施奠定了基础。
科学价值：
本研究深刻揭示了槽道湍流中产生减阻效应的内在机制，为湍流控制、对流传热以及减阻效应的工程应用提供了理论基础和技术支持，并依此提出了改变流体热物理性质以达到减阻和强化传热的新理念。
四、代表性论文（著）
序号
论文名称
刊名
作者
附件号
影响因子
年卷页码
（xx年xx卷xx页）
发表时间
（年月日）
是否国内完成
SCI他引次数
EI
他引次数
他引总次数
1
Very-low-ReChaoticmotionsofviscoelasticfluidanditsuniqueapplicationsinmicrofluidicdevices:
Areview
ExperimentalThermalandFluidScience
Xiao-BinLi,Feng-ChenLi,Wei-HuaCai,Hong-NaZhang,Juan-ChengYang
1-1
1.990
2012年39卷1-16页
2012年1月8日
是
8
9
17
2
AssessmentofLESperformanceinsimulatingcomplex3Dflowsinturbo-machines
EngineeringApplicationsofComputationalFluidMechanics
Wen-TaoSu,Feng-ChenLi,Xiao-BinLi,Xian-ZhuWei,YueZhao
1-2
0.989
2012年6卷356-365页
2012年2月20
是
3
1
4
3
NumericalSimulationoftheTransientFlowinaCentrifugalPumpDuringStartingPeriod
ASMEJournalofFluidsEngineering
ZhifengLi,DazhuanWu,LeqinWang,BinHuang
1-3
0.932
2010年081102卷
1-8页
2010年8月16日
是
11
20
31
4
Thetransientflowinacentrifugalpumpduringthedischargevalverapidopeningprocess
NuclearEngineeringandDesign
DazhuanWu,PengWu,ZhifengLi,LeqinWang
1-4
0.952
2010年240卷4061-4068页
2010年8月16日
是
6
9
15
5
Numericalinvestigationofthehumpcharacteristicofapump-turbinebasedonanimprovedcavitationmodel
Computers&Fluids
JintaoLiu,ShuhongLiu,YulinWu,LeiJiao,LeqinWang,YuekunSun
1-5
1.619
2012年68卷105–111页
2012年8月13日
是
6
17
23
6
Threedimensionalflowsimulationofloadrejectionofaprototypepump-turbine
EngineeringwithComputers
JintaoLiu,ShuhongLiu,YuekunSun,YulinWu,LeqinWang
1-6
1.451
2013年29卷417-426页
2012年4月28日
是
3
4
7
7
Experimentalstudyofdrag-reductionmechanismforadilutesurfactantsolutionflow
InternationalJournalofHeatandMassTransfer
Feng-ChenLi,YKawaguchi,
BoYu,Jin-JiaWei,KHishida
1-7
2.383
2008年51卷835-843页
2007年7月26日
是
21
32
53
8
Experimentalstudyonthecharacteristicsofthermalconductivityandshearviscosityofviscoelastic-fluid-basednanofluidscontainingmultiwalledcarbonnanotubes
ThermochimicaActa
Feng-ChenLi,Juan-ChengYang,Wen-WuZhou,Yu-RongHe,Yi-MinHuang,Bao-ChengJiang
1-8
2.184
2013年556卷47-53页
2013年2月8日
是
13
14
27
总计
71
106
177
五、上述代表性论文被他人引用代表性引文、专著
序号
被引论文（著）名称
刊名
附件号
引文名称
刊名
作者
影响因子
引文发表时间（年月日）
1
Very-low-ReChaoticmotionsofviscoelasticfluidanditsuniqueapplicationsinmicrofluidicdevices:
Areview
ExperimentalThermalandFluidScience
2-1
Catalyticoxygenproductionmediatedbysmartcapsulestomodulateelasticturbul
升级会员 