直接孔隙尺度和体积平均数值模拟是研究多孔介质太阳能吸热器性能的两种有效方式。为了阐明不同数值方法在预测传热过程中的差异，本文在稳态和瞬态条件下开展了两种方法的对比研究。数值模型分别基于X射线计算机断层扫描和局部热非平衡模型建立，体积平均数值模拟中不可或缺的经验参数通过蒙特卡罗光线追踪法和直接孔隙尺度数值模拟确定。体积平均数值模拟方法预测的吸热器出口空气温度与直接孔隙尺度模拟结果吻合良好，随着吸热器工作温度升高，预测差异逐渐增大，稳态和瞬态数值模拟的最大相对误差分别为5.5%和3.68%。然而，体积平均方法无法捕捉空气和多孔骨架的局部温度信息，低估了吸热器的入口温度，导致对吸热器热效率的高估，最大相对误差为6.51%。比较结果表明，在准确地选取经验参数的基础上，体积平均方法能够实现吸热器瞬态和稳态性能的快速、准确预测。

储能是高效能源系统的重要一环，压缩空气储能技术是最具发展潜力的大规模物理储能技术之一，因其成本低、寿命长、低碳环保等特点备受关注。压缩机是压缩空气储能系统的核心部件，其性能对整个系统的性能至关重要，这不仅体现在设计点上，更体现在整个变工况区间上的高效运行。与传统的离心压缩机相比，斜流压缩机具有更强的通流能力；与轴流压缩机相比其具备更大的单级压比，可试用于大规模压缩空气储能系统。本文应用协同理论采用数值模拟技术对压缩空气储能系统斜流与离心压缩机性能进行对比分析，得出内部流动特性与质量流量以及进口总温的定量关系。发现当协同角余弦值较高时，局部损失较大，小的协同正面积占比是优化设计的方向。结果表明斜流压缩机对于发展中的大规模压缩空气储能系统具有良好的适应性。

冷热电联产系统中生物质与太阳能的互补利用为能源危机和环境污染提供了有效的解决方案。本文旨在提出一种基于生命周期评估(LCA)方法的多目标优化模型，用于太阳能与生物质冷热电联供系统的优化设计。通过将多联产系统的生命周期过程划分为6个阶段，来分析能源消耗和温室气体排放。并结合全生命周期环境影响、可再生能源贡献和经济效益等评价指标，对混合系统的综合性能进行了优化。采用结合TOPSIS方法的非支配排序遗传算法II (NSGA-II)来搜索Pareto前沿结果，从而获得最优性能。将所开发的优化方法应用于工业园区的案例研究。结果表明，相较于参考系统，混合系统的性能优化后的效果显著，环境影响负荷降低率(EILRR)为46.03%，可再生能源贡献率(RECP)为92.73%，年总成本节约率(ATCSR)为35.75%。通过比较不同阶段的污染物当量排放量，运行阶段的污染物排放量最大，其次是原料获取阶段。综上可以看出，本文提出的基于LCA的多目标优化模型为设计和优化混合生物质能和太阳能的冷热电联产系统提供了一条潜力路径。

热二极管作为一种可以降低建筑物能耗和提高电动汽车电池散热的重要传热元件，其优点在于可以使热量单向流动。相较于其他类型的热二极管，在设计、材料和工作条件等各种因素的影响下，对流式热二极管在预期应用中能表现出最佳的热整流效果。本研究基于相变传热机制，提出了一种新型带有毛细芯的对流式热二极管。这种设计巧妙的利用了毛细芯提供的毛细力和重力，提高了所设计的对流式热二极管的单向传热性能。通过实验研究了充液比对热二极管传热性能的影响，实验结果与理论分析结果吻合良好。研究结果表明，当充液比为140%时，带有毛细芯的热二极管在较低的加热功率下有较大的热整流比，并且当热二极管的加热功率为40 W时，热二极管的最大热整流比为 21.76。

改变ZSM-5催化剂的表面酸度对于获得所需的丙烯选择性和产率至关重要。使用了几种不同的Zr比例通过火焰喷雾燃烧和脉冲喷雾蒸发系统改性ZSM-5。在火焰中Zr与ZSM-5的相互作用影响了Zr/ZSM-5的理化性质和酸度。随着ZSM-5中Zr比例的增加, 形成了不规则纳米级Zr覆盖层,以及由于Zr和ZSM-5之间的协同作用导致的晶粒尺寸增加。表面化学分析显示,与其他样品相比,Zr改性ZSM-5(1:4)样品的晶格氧含量增加。酸度分析表明Lewis酸和Brønsted酸分布在催化剂表面弱酸和中等酸位点。然而,Zr负载量的增加降低了Brønsted酸位点的浓度,并将催化剂表面调谐为更多的Lewis酸性,促进丙烯选择性,抑制丙烯过氧化。改性ZSM-5催化剂在固定床反应器内于300-700°C和空速(GHSV) 6000 mL·g^-1cat·h^-1条件下测试了丙烷氧化脱氢(ODHP)制丙烯性能。在这些催化剂中,Zr/ZSM-5(1:4) 表现出最好的丙烯产率,丙烷转化率为57.19%,丙烯选择性为75.54%,稳定性最高。这项工作提出了用Zr调节ZSM-5表面酸度的策略,可应用于ODHP等过程。

本文以近海浮式液化天然气存储及再气化装置(LNG-FSRU)为研究对象，针对其再气化系统中液化天然气（LNG）汽化冷能的高效利用，在已提出的一种纵向三级朗肯循环发电系统的基础上，构建了结合不同的蒸发气（BOG）处理工艺和低品位冷能海水淡化利用的LNG冷能梯级综合利用的新系统方案。通过对比分析纯工质和八种混合工质对新系统性能的影响，筛选出了使系统㶲效率最高的混合工质组合方案，并在此基础上采用遗传算法对该新系统进行了参数优化，得到使LNG冷㶲最大化释放的参数组合。得到的LNG冷能综合利用系统最终性能为净输出功5186kW，㶲效率30.6%。进一步通过对优化后的新系统方案进行技术经济分析，综合考虑系统发电和制淡水的营运收益及投资运维成本，其系统年经济效益为1871万元。

线性菲涅尔反射式聚光器由于结构简单、成本低、抗风性能优良等特点，被广泛应用于太阳能光热利用领域。但是，由于线性菲涅尔聚光器常年在室外工作，反射镜表面积尘问题不可避免，这就导致系统光学效率降低，因此需要完善和改进。本文设计了一种焦平面能流密度测试装置，用于测试不同积尘时间下系统的能流密度分布。结果表明，随着积尘时间的增加，镜面上的积尘密度增加，焦平面上的能流密度减小。经过35 天的自然积尘，反射镜的积尘密度达到了4.33 g/m2，焦平面上的能流密度平均下降至1.78 kW/m2。另外，文章以灰尘堆积在镜子上引起的反射率变化作为量化指标，提出了镜面积尘对系统光学效率影响的预测模型。研究结果可为提高线性菲涅尔系统的光学效率提供数据依据。

可调扩压器（AVDs）作为一种调节技术，可以扩宽压缩空气储能系统(CAES)的工作流量范围，并提高其气动性能。为了研究可调扩压器的调节机理和捕捉详细的叶片载荷分布以便设计优化，设计并制造了用于离心压缩机闭式试验台测试的增材制造可调扩压器。首先，通过数值分析和试验支撑总结可调扩压器调节规律，提取相应的叶片载荷数据以分析分布规律；然后，根据分布特性，设计了适合可调组件的3D可调扩压器模型；再者，依据实际试验运行环境选择了选择性激光熔融技术和模具钢材料1.2709进行金属打印；最后，对待测试的成品件进行了性能测试和精度检测，几乎所有的入口孔偏差都在0.3mm的允许误差内。研究结果表明：增材制造技术能有效提高扩压器内流通道的可塑性，并能详尽的导出压力面和吸力面的叶片载荷，同时能在不同运行条件下提供可调功能。它不仅可以突破传统可调扩压器复杂内流通道的加工瓶颈，而且提高与可调组件的设计匹配程度，同时确保了高性能高精度、有效缩短了加工时间。

线聚焦抛物槽式(PT)太阳能直接蒸汽发生技术(DSG)因其发展较为成熟、整体成本相对较低、易于规模化等优点而具有广阔的发展前景，但其中集热管的热应力变形问题对系统整体性能和可靠性负面影响因其内部流体自身特性而尤为显著。本工作提出一种带有轴向镂空内螺旋导流器的新型集热管，通过集热管结构优化解决上述问题。对于典型PT-DSG回路的预热段、沸腾段和过热段建立了光-热-流动多物理场耦合模型并进行数值模拟。结果表明，新型集热管具有良好的综合性能，螺旋导流器混合流体使管段周向温差最小化，同时轴向镂空结构降低了流阻成本。通过引入管段周向温度均匀性改善指标ε△t和传热性能综合评价因子PEC对结果进行定量评价，对不同的需求目标提出不同的结构优化方案。当ε△t为主要改善指标时，选取扭率为1的导流器结构形式，在预热段、沸腾段、过热段得到的ε△t分别为25.4%，25.7%，41.5%，得到的PEC分别为0.486,0.878,0.596；当PEC为主要改善指标时，选取扭率为6-6.5导流器结构形式，在预热段、沸腾段、过热段得到的PEC分别为0.950,2.070,0.993，得到的ε△t分别为18.2%，13.3%，19.4%。

太阳能热化学两步循环制氢一直以来备受关注，然而严重的系统不可逆性限制了太阳能到燃料的高效转化。本文通过建立太阳能热化学循环热力学分析模型，对典型Zn基太阳能热化学循环进行了深入能量与不可逆性分析。不同于以往研究多关注系统各设备的总不可逆损失，本研究对耦合反应、传热以及辐射的复合能量转化过程进行解耦分析，获得了不同属性的不可逆损失分布与产生原因。研究结果表明，为降低还原反应温度而引入的大量惰性吹扫气造成了较大系统不可逆损失，严重降低了太阳能到燃料转化效率。降低这部分与惰性气体吹扫有关的不可逆损失是提升效率的关键。研究结果为发展高效聚光太阳能热化学制氢循环提供了理论依据。

利用相变材料进行热能储存是提高能源利用率的有效途径。十二水硫酸铝铵(Ammonium alum，A-alum)由于具有过冷度大、热导率低的缺点，使它在潜热储能系统中的应用受到严重限制。为克服A-alum的缺点，本文制备了含有不同成核剂的改性A-alum（Modified A-alum，M-PCM），并将其进一步吸附在膨胀石墨(Expanded Graphite，EG)中获得复合相变材料（Composite phase change material，CPCM）。采用差式扫描量热分析（Differential scanning calorimetry，DSC）、热常数分析、扫描电镜（Scanning electron microscopy，SEM）、X射线衍射分析（X-ray diffraction，XRD）和傅里叶红外光谱分析（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）等手段对CPCM的热物性、热循环稳定性、微观结构和化学兼容性进行了测试表征。建立并解释了CPCM的冷回温现象。结果表明，CPCM的相变潜热和相变点分别为187.22J/g和91.54℃。与纯A-alum相比，CPCM的过冷度下降了9.61℃，热导率增加了27倍。蓄放热实验结果表明，2wt%的二水氯化钙（Calcium chloride dihydrate，CCD）是A-alum的最佳成核剂。热重分析和30次热循环实验结果表明，CPCM在工作温度下表现出良好的热稳定性和可靠性。本文所制备的改性A-alum/EG复合相变材料在潜热储能系统中具有良好的应用前景。

在飞机和发动机表面产生的积冰对飞行安全来说是一个严重威胁。在本文中，提出了一种基于多孔泡沫金属的新型热气防冰方式。以NACA0012翼型为例，计算表明传统热防护结构存在由于沿程热量散失而带来的防护热量不均问题。通过将翼型前腔划分为不同区域并进行相应的泡沫金属填充，计算分析该防护结构的内部流动阻力和换热特性，从而寻求防冰过程的最大效益。计算结果表明，在相同条件下，相比于未填充泡沫金属区域，填充了金属铜的区域不仅防冰区域的温度分布均匀性得到改善，其表面防护效果也因为壁面与热流间的换热增强而得到进一步提升，表面温度平均提高了20K。此外，所需的最小防护热气量减少了16.7%。多孔填料在强化传热方面的良好效果证实了用基于泡沫金属填充的简单防护结构取代高效但复杂的传热设计的可能性。 

航空发动机与燃气轮机压气机进口通常存在总压和旋流组合畸变，这不仅会恶化压气机效率，也会降低压气机稳定裕度。通过整合流动控制措施和压气机进口导叶设计有助于解决这一问题。本文发展了压气机全周二维和三维非轴对称导叶设计方法。首先，发展了全周二维和畸变区域三维数值模拟方法，其次，对压气机进口畸变特征进行了参数化，基于此，提出导叶几何参数轴向非轴对称参数化方法，这在兼顾进口畸变特征的同时显著降低了计算成本。进一步，对导叶不同径向位置几何进行了全周二维非轴对称设计，并对带重构所得导叶的压气机性能进行了数值模拟。此外，开展了畸变区域三维非轴对称导叶优化，以兼顾压气机效率和稳定裕度。结果表明，全周二维非轴对称导叶设计可降低畸变进气条件下的导叶总压损失，畸变区域三维非轴对称导叶设计可以拓宽压气机稳定裕度。

可再生能源的快速增长对燃煤电厂的调峰能力提出了更高的要求。富氧燃烧是燃煤电厂最有前途的碳减排技术之一。本研究提出了一种新型的富氧燃烧发电厂，该发电厂与液氧储存、冷能回收系统相结合，以适应调峰要求。液氧储存系统利用廉价的谷电生产液氧供高峰期使用，增强调峰能力。同时引入冷能回收系统，回收液氧相变过程中的物理潜热，提高高峰期发电量。330 MWe富氧电厂作为参考（案例1）、同一电厂仅配备液氧储存系统（案例2）以及同一电厂同时配备液氧储存和冷能回收系统（案例3），构建了3种不同的富氧燃烧系统，并对各个系统的技术经济性进行了分析和比较，热力学性能分析表明，案例3的调峰容量可达106.03~294.22 MWe，最大调峰系数高达2.77。案例2和案例3在高峰期的总㶲效率分别达到32.18%和33.57%，明显高于案例1的26.70%。经济分析表明，通过出售液态O₂和液态CO₂，结合碳交易，三种案例的平准化度电成本（LCOE）都得到了大幅降低，案例3中最低为30.9 0美元/MWh。综合考虑，案例3可视为未来热力性能和经济性能最佳的富氧电厂参考。