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| 編輯推薦： |
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《相变边界条件下的热湍流动力学和热输运特性的研究》针对相变边界条件下的热湍流动力学和热输运特性开展研究，提出了多组分相变热湍流系统的概念；研究了水密度反转特性对相变过程的影响；揭示了影响冰面形貌特征的物理机制。
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| 內容簡介： |
《相变边界条件下的热湍流动力学和热输运特性的研究》针对自然对流和相变边界条件耦合所涉及的复杂的动力学演化、热量输运和质量在不同相态之间的再分配等具有复杂性和挑战性的问题进行实验、数值模拟和理论建模相结合的研究。所涉及的相变边界条件包括高温系统内的汽-液相变以及低温系统中的液-固相变，对这两个方向的研究均从相变、（湍流）自然对流以及传热三者的耦合作用角度详细展开。
本书首先系统地阐述研究具有相变边界条件的热湍流动力学和热输运特性的背景与意义，凝练科学问题；然后关注在包含汽-液相变的热对流系统内，如何极大限度地增强传热、突破自然对流传热极限；接下来关注在包含液-固相变的热对流系统内，结冰动力学特性的决定因素、决定冰水界面形貌特征的物理机制以及移动液-固界面系统内的多平衡态问题；最后总结全书的研究工作，展示研究的创新点，并对未来可能的相关研究方向进行展望。
本书可供动力工程及工程热物理专业研究生、能源动力专业本科生、相关领域技术人员和科研人员参考和阅读。
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| 關於作者： |
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王子奇，2017年9月至2022年6月在清华大学能源与动力工程系攻读动力工程及工程热物理专业博士学位，于2022年6月获得工学博士学位，同年获得“清华大学优秀博士毕业生”称号、清华大学优秀博士学位论文奖、“吴仲华优秀研究生奖”。
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| 目錄：
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第1章 引言 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 研究现状 4
1.2.1 增强自然对流传热效率 4
1.2.2 结冰或融冰动力学特性、输运特性及固-液界面形貌特征 9
1.3 研究目的与内容 13
1.4 研究方法 15
1.5 本书结构安排 15
第2章 两相“类催化性颗粒”湍流对热对流系统热输运特性的影响 18
2.1 研究目的 18
2.2 两相“类催化性颗粒”湍流系统的形成 19
2.3 两相热对流沸腾-凝结实验平台 20
2.3.1 圆柱形两相热对流沸腾-凝结对流槽 21
2.3.2 扩压容器 24
2.3.3 工作液体 25
2.3.4 控制参数和响应参数 26
2.3.5 温度控制系统 28
2.3.6 热量损失误差分析 29
2.3.7 温度测量与采集系统 30
2.3.8 流场可视化技术 32
2.4 传热载体：“类催化性颗粒” 34
2.5 系统热驱动力强度对系统传热特性的影响 36
2.5.1 两相“类催化性颗粒”湍流系统的传热特性 36
2.5.2 三个特征鲜明的区间 37
2.5.3 蒸气体积分数的计算 40
2.6 传热增强的物理机制 45
2.6.1 两相“类催化性颗粒”湍流系统气泡群运动速度 45
2.6.2 相变潜热对传热增强的贡献 46
2.6.3 气泡流导致的湍流场的掺混效应对传热增强的贡献 47
2.7 主动调控“类催化性颗粒”的运动： 两种运动模式 52
2.7.1 局部掺混：跳跃模式 52
2.7.2 全局掺混：迁移模式 53
2.8 本章小结 54
第3章 不同工况对两相“类催化性颗粒”湍流系统的影响 55
3.1 研究目的 56
3.2 加入不同体积分数的低沸点 HFE-7000 液体 56
3.2.1 两种蒸气泡形成模式 57
3.2.2 加入不同体积分数 HFE-7000 液体的流场特征 59
3.3 加入不同体积分数 HFE-7000 液体的影响 60
3.3.1 传热特性 60
3.3.2 传热特性补偿图 61
3.3.3 蒸气泡体积分数 62
3.4 两相“类催化性颗粒”湍流系统的温度脉动 63
3.5 上板温度和下板温度控制解耦 66
3.5.1 恒定下板（加热）温度改变上板（冷却）温度 66
3.5.2 恒定上板（冷却）温度改变下板（加热）温度 66
3.6 本章小结 67
第4章 自然对流与结冰过程耦合的动力学和流动结构 69
4.1 研究目的 69
4.2 研究方法 71
4.2.1 实验方法：两相热对流结冰-融冰实验平台 72
4.2.2 理论建模 77
4.2.3 直接数值模拟：格子玻尔兹曼算法 84
4.2.4 研究方法小结 90
4.3 实验、数值模拟和理论建模结果对比 91
4.4 冰生长与流体运动的耦合动力学：四种不同的传热与流动耦合机制 92
4.4.1 区间-1（Regime-1） 93
4.4.2 区间-2（Regime-2） 95
4.4.3 区间-3（Regime-3） 95
4.4.4 区间-4（Regime-4） 96
4.4.5 四种不同的传热与流动耦合机制小结 97
4.5 冰层生长的动力学特征 98
4.6 本章小结 100
第5章 水相变平衡状态冰-水界面形貌及其形成的物理机制 102
5.1 研究目的 102
5.2 研究方法 103
5.2.1 实验方法：可调节倾角两相热对流结冰-融冰实验平台 103
5.2.2 直接数值模拟方法 104
5.2.3 建立流体力学理论模型 105
5.3 影响冰形貌的物理机制 1：热浮力驱动力 105
5.3.1 垂直对流实验和直接数值模拟结果对比 106
5.3.2 解释垂直对流中冰的局部形貌特征：边界层模型 108
5.4 影响冰形貌的物理机制 2：温度梯度与重力方向夹角 111
5.4.1 不同系统倾斜角度的实验和直接数值模拟结果对比 111
5.4.2 系统在不同倾角条件下的传热特性 112
5.4.3 不同倾角条件下流动和冰水界面形貌特性 113
5.4.4 解释宽范围系统倾角下的局部冰形貌特征：推广的边界层模型 116
5.4.5 解释冰最厚的位置信息：浮力驱动强度模型 118
5.5 本章小结 120
第6章 自然对流与固-液相变耦合系统多平衡态问题 121
6.1 研究目的 121
6.2 研究方法 122
6.2.1 实验方法 122
6.2.2 直接数值模拟方法 123
6.2.3 理论建模 123
6.3 结冰/融冰的历史效应对冰演化的影响 124
6.3.1 RB对流系统的结冰/融冰过程的冰演化特性 124
6.3.2 VC系统的结冰/融冰过程的冰演化特性 131
6.3.3 双平衡态的物理机制 133
6.4 对流系统的宽高比对结冰平衡态的影响 135
6.4.1 RB对流系统平衡态冰水界面形貌特征 135
6.4.2 VC系统平衡态冰水界面形貌特征 137
6.4.3 边界层模型的进一步推广 139
6.5 本章小结 141
第7章 总结与展望 143
7.1 全书总结 143
7.2 研究创新点 147
7.3 未来展望 148
参考文献 150
在学期间完成的相关学术成果 167
致谢 168
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| 內容試閱：
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本书开展了相变边界条件下的热湍流动力学和热输运特性的研究，选题具有重要的科学意义和工程应用价值。本书围绕自然对流和相变边界条件的耦合问题，通过实验探究、直接数值模拟以及理论建模相结合的研究手段，从高温系统内的沸腾-凝结相变循环及低温系统内的结冰-融冰相变循环两个研究角度，展开对提高自然对流换热效率、结冰动力学特性的决定因素及决定冰-水界面形貌特征的物理原因等核心问题的系统性研究。该研究具有挑战性，相关研究成果具有重要的科学意义，同时为工程应用提供了坚实的理论基础。
本书针对在包含气-液相变的热对流系统内，如何极大限度地增强传热这一科学问题，提出了两相“类催化性颗粒”湍流增强自然对流传热效率的新思路，自主设计并搭建了两相热对流沸腾-凝结实验平台，研究并证明了利用两相“类催化性颗粒”增强湍流传热效率的可行性，并揭示了其背后传热增强的物理机制；通过对系统处于不同工况时的传热行为进行探索，证明了两相“类催化性颗粒”湍流系统传热增强具有稳健性，进一步佐证了两相“类催化性颗粒”湍流在增强传热方面的重要应用价值。
本书针对在包含液-固相变的热对流系统内，结冰动力学特性的决定因素、决定冰-水界面形貌特征的物理机制及移动液-固界面系统内的多平衡态问题等，通过实验、直接数值模拟和理论建模相结合的综合方法研究了结冰的动力学特性，揭示了涉及结冰问题时密度反转对正确预测系统行为的重要性；同时研究了两个反向对流涡竞争的动力学特性，揭示了决定冰-水界面形貌特征的物理机制；更进一步地，研究了结冰或融冰的历史效应，揭示了湍流热对流系统存在双平衡态现象。相关研究或将为维持倾向性流动结构或固-液界面形态等工业流动控制应用提供理论支撑。
本书的主要创新性成果如下。
（1）提出了多组分相变热湍流系统的新理念，并证明其能够大幅度提升湍流换热效率，揭示了相变潜热和气泡流所引起的流场掺混效应是传热增强的物理机制。
（2）研究了水密度反转特性对水的固-液相变过程演化的影响，揭示了水密度反转在相变与湍流耦合过程中的关键作用机制。
（3）发现了含有相变的湍流热对流系统结冰和融冰过程的多平衡态特征，揭示了决定冰面形貌特征形成的物理机制。
本书内容充实，创新点突出，写作规范，条理清晰，层次分明。本书可作为高等院校和科研单位的能源动力、物理等专业本科生、研究生、工程技术人员、科研人员的参考用书。
孙超
清华大学能源与动力工程系
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