近日，由中科院工程熱物理所儲能研發(fā)中心陳林研究員主持編輯的超臨界流體能源系統(tǒng)方面的英文專著《Handbook of Research on Advancements in Supercritical Fluids Applications for Sustainable Energy Systems》(兩卷本)順利在美國IGI Global出版社出版。

該書是國際上第一部關(guān)于超臨界流體應(yīng)用于能源化工系統(tǒng)方面的專著，是由中國科學(xué)家領(lǐng)銜、各國權(quán)威專家通力合作的成果。它的出版顯示了以中科院工程熱物理所為代表的中國科研機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域的重要研究實(shí)力和國際影響力。

近年來，工程熱物理所在該領(lǐng)域的重點(diǎn)方向上，特別是在大型跨臨界設(shè)備、布雷頓循環(huán)及電力循環(huán)中適用的緊湊式超臨界換熱器設(shè)計(jì)、超臨界系統(tǒng)裝備制造、超/近臨界環(huán)境化工過程中取得了一系列創(chuàng)新成果，成為中科院在超臨界流體戰(zhàn)略技術(shù)的重點(diǎn)突破方向之一。

超臨界流體技術(shù)憑借其在能源動(dòng)力領(lǐng)域的重大潛力，被稱作是下一代“戰(zhàn)略技術(shù)”。以布雷頓循環(huán)為代表的超臨界動(dòng)力循環(huán)及高溫?zé)崂玫燃夹g(shù)近年來在國際上已成為前沿?zé)狳c(diǎn)，并逐步從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累進(jìn)入到兆瓦級商業(yè)系統(tǒng)開發(fā)的階段。

不僅如此，流體在跨越臨界區(qū)域時(shí)的相變過程和機(jī)理研究對許多關(guān)鍵領(lǐng)域的突破都十分重要，如超臨界發(fā)電、太陽能熱利用、新一代核能系統(tǒng)、航空航天工程、規(guī)?；瘍δ?、精細(xì)化工及材料工程等。

具體而言，絕大多數(shù)跨臨界熱力和化工系統(tǒng)都需要面對流體跨越臨界區(qū)域發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。特別是在靠近熱力工質(zhì)臨界點(diǎn)附近區(qū)域，由于流體熱物性的強(qiáng)烈非線性震蕩所引起的一系列復(fù)雜熱力過程，是影響跨臨界和超臨界系統(tǒng)穩(wěn)定性和能量轉(zhuǎn)化、存儲效率的關(guān)鍵因素。

該書共包含四個(gè)板塊共22章，匯集了國內(nèi)外在超臨界流體領(lǐng)域的代表性團(tuán)隊(duì)近年來的系列研究成果，系統(tǒng)介紹了超臨界流體熱物理基礎(chǔ)理論、小尺度對流傳熱及器件設(shè)計(jì)、超臨界和跨臨界熱力循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及超臨界流體在代表性能源動(dòng)力系統(tǒng)中應(yīng)用等。

該書的出版獲得了包括來自法國巴黎高等物理化工學(xué)院(居里夫婦的母校)的Daniel A. Beysens教授、日本同志社大學(xué)Hiroshi Yamaguchi教授、東京大學(xué)Eiji Hihara教授、俄羅斯科學(xué)院Yuri A. Zeigarnik教授和Vladimir I. Anikeev教授、加拿大安大略理工大學(xué)Igor Pioro教授、德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院Thomas Schulenberg教授等專業(yè)領(lǐng)域國際學(xué)術(shù)權(quán)威的大力支持。

同時(shí)，該書也包含了來自西安熱工研究院、中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院、重慶大學(xué)及中國科學(xué)院工程熱物理研究所等國內(nèi)領(lǐng)先團(tuán)隊(duì)的研究成果。日本京都大學(xué)Akira Onuki教授應(yīng)邀為本書撰寫序言并指出本書“匯集了最優(yōu)秀的學(xué)者”、并且“是超臨界流體領(lǐng)域非常及時(shí)而且重要的著作，因?yàn)樗藦牧黧w基礎(chǔ)到能源系統(tǒng)應(yīng)用等幾個(gè)極其重要的課題”。

超臨界流體領(lǐng)域的核心難點(diǎn)在于流體跨越臨界區(qū)域時(shí)的相態(tài)變化及能質(zhì)傳遞機(jī)制，是亟待突破的前沿領(lǐng)域。陳林研究員近年來的工作集中于這一特殊流體參數(shù)區(qū)域的熱力學(xué)分析。這一區(qū)域內(nèi)流體跨臨界過程中同時(shí)受到熱-聲作用的影響，表現(xiàn)為密度、比熱容及其他參數(shù)獨(dú)特的演化特性。

本書第3章介紹了我所團(tuán)隊(duì)在微小通道內(nèi)超臨界CO2流體流動(dòng)傳熱特性方面的結(jié)果。在微通道等受限制的幾何條件下，流體氣相、液相和超臨界相之間的相態(tài)相互轉(zhuǎn)化過程對外部參數(shù)條件、變化的始-終路徑以及流體特殊的熱物理性質(zhì)參數(shù)具有較大的依賴。通過構(gòu)建微小通道內(nèi)瞬態(tài)熱擾動(dòng)模型，研究團(tuán)隊(duì)獲得了超臨界流體的小尺度反饋規(guī)律并進(jìn)一步總結(jié)了超臨界流體微尺度熱-機(jī)械作用產(chǎn)生擾動(dòng)強(qiáng)化和換熱強(qiáng)化的機(jī)制。本章的研究中將其歸結(jié)為可壓縮流體微槽道Kelvin-Helmholtz流動(dòng)不穩(wěn)定性，為進(jìn)一步理解微尺度下超臨界流體流動(dòng)傳熱穩(wěn)定性問題提供了新思路。

另外，在超/跨臨界熱力系統(tǒng)研究中，往往具有高熱流密度、大溫差區(qū)間和復(fù)雜對流情景，使得臨界區(qū)域流體傳熱與相變過程細(xì)節(jié)掩蓋在臨界區(qū)域震蕩和對流傳熱不穩(wěn)定現(xiàn)象當(dāng)中。

本書第5章介紹了陳林研究員和印度理工學(xué)院P.K. Basu教授合作針對局部浮力效應(yīng)與熱加速現(xiàn)象對超臨界區(qū)域流動(dòng)換熱，特別是湍流流動(dòng)換熱的影響。

本書第7章介紹了工程熱物理所團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步針對該問題在超臨界流體自然循環(huán)及其在能源系統(tǒng)中基礎(chǔ)傳熱和循環(huán)流動(dòng)規(guī)律的探索：在國際上首次揭示了密閉回路中近臨界流體自然對流流動(dòng)、傳熱穩(wěn)定性的規(guī)律及機(jī)制和預(yù)測關(guān)聯(lián)式，在此基礎(chǔ)上提出了穩(wěn)定性反饋、安全控制及優(yōu)化管理方法。

近期，陳林研究員正集中于發(fā)展多相位重構(gòu)激光測試等方法用于超臨界系統(tǒng)的高精度定量測量方面(近期論文Kanda & Chen, et al. Int. Commu. Heat Mass Transf., 89, 2017, pp. 57-63; Chen et al., Int. J. Heat Mass Transf., 155, 2020, 119684; Tran and Chen, ASME - J. Fluids Eng., 142(11), 2020, 111503)，期望通過對超臨界流體界面?zhèn)鬟f的可視化研究，進(jìn)一步解決跨臨界系統(tǒng)機(jī)理“看不清”、“測試難”的課題。