刘伟：科学降低工业能耗，高效提升能源利用

【吴应清/科学中国人】

20世纪50—70年代，能源发展得到重视。从“一五”至“五五”计划，国家对能源工业发展作出了具体部署，提出了节约使用电力、煤炭、石油等号召。改革开放以来，在不断加强能源资源利用和基础设施建设的基础上，我国更加注重能源发展的质量和效率。

当今世界正经历百年未有之大变局，我国能源发展面临着国内外环境的深刻复杂变化。随着工业发展的进程不断加深，工业能源在能源消费中所占的比重大大提高，降低工业能耗、提高能源利用率一直是国际能源研究领域的热点和前沿。

“目前，工业、交通和建筑是能耗构成中占比最大的三个版块，我们主要关注的是工业过程的能源利用问题，怎样利用科学技术使其达到节能降耗的目标。”华中科技大学能源与动力工程学院教授刘伟说。十余年在工程热物理及能源领域中砥砺前行、攻坚克难，他领导团队开展的研究项目“耗散最小化多场协同对流传热强化理论和方法”荣获了2020年度国家科学技术奖自然科学奖二等奖。

刘伟

立足国民经济现状，开展工业节能探索

能源是人类社会发展的动力，而节能降耗依赖于能源科技的发展和创新。

历经时代的更迭，刘伟亲眼目睹了我国经济发展对能源的依赖，他和团队成员深知，工业节能的实现对解决工业乃至整个国民经济发展的能源问题有着重要的战略意义。立足于时代背景以及我国能源现状，他们在21世纪初就开始了在工程热物理及能源领域的辛苦探索，始终未曾动摇。

如要降低工业能源的消耗？这就不得不提到换热问题。据刘伟介绍，换热设备是工业生产流程的关键装置，广泛应用于电力、动力、炼油、化工、钢铁、冶金、轻工、制药、机械、食品加工以及原子能工业部门当中。工业过程能量传递75%以上依靠对流传热。但是，工业换热设备中流体传热与流动的协同强化及设备内部对流传热过程的能耗机制问题始终未能解决，一直是制约对流传热强化理论和技术发展的核心问题，也是导致工业换热设备能效低、功耗高的重大难题。“发展对流传热强化的理论和技术，对于提高能源利用率以及推动整个能源科技的发展都极为重要。”刘伟说。

对流传热中温度、速度、压力这3个物理量之间协同具有怎样的复杂关系？怎样通过科学研究建立对流传热强化的理论体系来为研发工业换热设备奠定基础？在国家重点基础研究发展计划课题和国家自然科学基金重点项目资助下，刘伟团队历经十余年研究，终于在这一领域取得了一系列创新性科研成果。

聚焦对流传热过程，减少工业生产能耗

传热现象是工业生产及自然界普遍存在的现象。而通过一定的技术手段增加能量传递过程的传热量,从而提高换热设备效率,实现节能环保、降低成本等目标，里边蕴藏了复杂的科学问题，需要深入其中，持续开展探索。

十几年来，刘伟及其团队成员坚持在工业生产一线、实验室中进行理论探索和实验研究，最终成功解决了压力对流体传热和流动的作用机制、传热与流动的多场协同机制以及对流传热过程的能耗机制等关键科学问题，在动力工程及工程热物理学科引起了较大的反响。

针对对流传热中温度、速度、压力这3个物理量，他们在清华大学过增元院士提出的场协同原理的基础上，建立了温度-速度-压力三场协同理论，指出多物理量场的协同是研发高能效、低功耗工业换热设备的关键；提出了流体压力与功耗的本构关系，建立了反映压力与速度间协同关系的流体机械能协同方程，获得了反映换热设备流动性能的协同角表达式。

刘伟说：“在换热设备中，流体流动有两种基本方式，分别为层流和湍流，相较于层流而言，湍流的流动速度更快，而工程换热设备中的流体大多处于湍流状态。”为了揭示湍流传热与流动的多物理量场协同机制，在层流基础上，他和团队成员还提出了湍流传热与流动的协同关系式，表征了湍流流场中温度、速度和压力的协同规律，将场协同理论从层流拓展到湍流领域，建立了湍流传热的温度-速度-压力三场协同传热强化理论。

减少对流传热过程的不可逆耗散是降低工业换热设备能耗的根本。“如果一个换热设备的耗散损失达到最小化，那它的运行效率也会大大提高。”刘伟说。为此，他和团队创建了可用势函数和传热与流动.损最小化理论，牵头制定了工业余能评价国家标准，建立了耗散最小化对流传热强化理论，并成功用于高能效、低功耗工业换热设备的设计。

基于减少传递过程不可逆耗散的传热与流动.损，刘伟团队还提出了混流均温低耗散传热强化新方法，研发出高能效、低功耗纵流式换热设备。同时，确定了换热设备传热强化的热量收益与功耗代价间的关系，建立了反映流体换热与扰动协同强化的效能评价准则，填补了工业换热设备缺乏传热强化综合性能评价指标的空白。

项目团队创建了耗散最小化多场协同对流传热强化新理论，提出了减少过程能耗的对流传热强化新方法，实现了对流传热强化理论和技术的重大突破，指导研制出系列高效能、低功耗大型工业换热设备并实现产业化，促进了传热学科及工业换热装备的发展。科研成果还形成国家标准1部，发明专利9项，获湖北省自然科学奖一等奖和高等学校科学研究优秀成果奖科技进步奖一等奖各1项。

团队合影

矢志不渝科研攻关，加强团队成员引领

基础研究决定一个国家科技创新能力的底蕴和后劲。然而，基础研究的难度大、投入少、周期长、见效慢，长期的默默探索十分考验科研人的耐心与毅力。十几年时间匆匆即逝，如今回看科研路上的点点滴滴，刘伟团队经历了无数困难和阻碍。在他看来，这一切都是科学研究的常态，作为一名科研工作者，从未觉得这会是阻拦他们前行的关卡。

在科技探索的道路上，支撑着刘伟不断前行的是“为国家做有用的科研”的信念，而团队成员协同奋进、攻坚克难更给了他砥砺前行的信心。“清华大学的过增元教授、西安交通大学的陶文铨教授，是工程热物理学科的两位著名院士，两位先生年过八旬仍然活跃在科研的一线，就像‘定海神针’，他们从事科研的追求以及敬业的态度，一直在默默影响着我们。”刘伟说。

桃李不言，下自成蹊。多年来，刘伟倾心在教育事业中，他所培养的研究生，如今分布在国内外高校以及各大企业、科研院所，为国家和行业的发展贡献着自己的力量。每当谈起这些，刘伟身上就会自然迸发出一种自豪感。在他看来，科学研究与人才培养是一项永恒的课题。他很庆幸，能在这份事业中实现自己的人生价值。

进入新世纪以来，全球能源格局深度调整，转型进程显著加快，能源生产和消费继续向“清洁、低碳、安全、高效”的方向发展。在时代发展大潮中，未来我国能源工业的节能降耗、绿色环保仍大有可为。刘伟深知，理论与应用研究并行才能服务好国家的重大需求。前路任重而道远，立足于国家的能源大背景，刘伟团队已做好了准备，迎接今后的科研挑战！