由長福

由長福， 清華大學熱能系研究員，博士生導師。

基本介紹

• 中文名：由長福
• 職業：清華大學熱能系研究員/博士生導師
• 畢業院校：清華大學
• 研究領域：新能源等
• 職稱：清華大學熱能系研究員

人物經歷

學習經歷

1987年—1992年 清華大學熱能系，本科。

1992年—1996年 清華大學熱能系，博士，導師：葉大均教授，岳光溪教授。

工作經歷

1996年—2001年 清華大學熱能系教師。

2001年－2006年 清華大學熱能系 副教授。

2006年－現在 清華大學熱能系 研究員。

1999年 日本福井大學進修PIV測量技術。

1999年 法國杜埃礦業研究院 博士後。

2002年 美國華盛頓州立大學 訪問學者。

研究方向

煤燃燒及污染防治、多相流動理論、新能源（生物質、天然氣水合物、太陽能)。

主要貢獻

研究概況

主要學術成果1: 燃煤污染控制。

作為2個973項目子課題負責人和1項國際合作項目的主要負責人，在發展適合我國國情的高效、低費用、低耗水的中溫乾法煙氣脫硫原理與技術方面取得了重要成果。

發現並證實了一系列重要的脫硫反應機理。諸如：(1) 提出脫硫劑顆粒濃度分布是影響乾法/半乾法煙氣脫硫的關鍵參數，由此開發出若干新型的反應器結構，研究成果在國際著名雜誌（簡寫ES&T）上發表；(2) 確定了影響煙氣脫硫過程的關鍵因素——煙氣中CO2對脫硫過程的作用程度和溫度範圍，發現並確定了碳酸鹽類產物的中溫脫硫效應，澄清了長期以來的模糊認識。由此提出實際過程中避免煙氣中CO2對系統脫硫效率影響的規律，使乾法煙氣脫硫技術具有更好的工程套用效果。

在煙氣污染物治理中，先進乾法吸收劑的研究是影響該技術推廣套用的核心之一。在以往研究中，利用水合放熱反應釋放的熱量作為動力，成功開發出鈣基吸收劑高效微粒化原理與技術，將吸收劑顆粒尺度縮小到幾微米量級，降低了氣體在產物層內擴散對吸收劑利用率的影響，極大地增強了中溫脫硫反應效果。同時，與國際同類產品相比，大大減少了製備時間（同類產品的1/6），具有更大的工程可行性與經濟型，對於完善乾法煙氣脫硫技術具有重要工程意義。目前正以此為契機，開發微米與亞微米級吸收劑顆粒的製備原理與技術。從文獻報導上看，國際上尚未發現類似研究成果。

在實驗室內開展了基於鏈式脫硫反應原理的示範性工程工藝研究，獲得了最佳運行參數與條件，得到了關鍵構件對煙氣脫硫過程的影響規律，研究成果可直接套用於中溫乾法煙氣脫硫技術的工程設計與運行，為該技術的推廣套用奠定了基礎。研究成果在國際著名雜誌上發表。國際上同類研究仍不多見。

以上研究在973項目“燃煤污染防治的基礎研究”結題評審中，專家組給予了高度的好評，並成為後續滾動973項目的重要研究內容。同時，以上成果均具有自主智慧財產權（申請多項核心發明專利），有望實現產業化。

主要學術成果2: 稠密氣固兩相流體力學

研究背景為乾法、半乾法煙氣脫硫反應器、循環流化床鍋爐等系統內所涉及的稠密氣固兩相流動過程。

稠密多相流動問題是目前多相流研究領域的一個前沿性難題，顆粒間距離的縮小導致了很多不確定影響因素的存在。目前，在多相流理論中，很多規律與模型來自於巨觀研究，其適用性受到很大限制。可以說，目前多相流理論的發展情況，類似於上世紀80年代湍流模型的研究狀況，因缺少微觀研究的支持而很難深入開展下去，所以當時才迫切需要開展湍流的直接數值模擬研究，以期在湍流最小渦團尺度上充分地認識湍流結構特性，從而提出更加符合實際物理過程的湍流模型與規律。針對多相流發展的現狀，本申請者以往的研究強調從微觀層次（顆粒尺度）出發，以建立完善的巨觀稠密兩相流理論，從而指導實際工業過程的設計與運行。

提出了氣固多相流無格線直接數值模擬方法，解決了現有多相流移動格線直接數值模擬方法無法克服的格線畸變和顆粒無法真正碰撞的問題，為多相流動的直接數值模擬提供了一種有效的研究方法。文獻檢索中尚未發現類似研究，該研究獲得國家自然科學基金的資助。

在多相流可視化PIV測量方法研究方面，將人工智慧原理與技術引入到顆粒識別與配對算法中，提高了算法的準確性與效率。改進的圓弧識別算法能夠更準確地進行曲線分割，並且能對充滿噪音並相互重疊的顆粒圖像給出較好的識別結果，有效地解決了稠密顆粒測量中的顆粒重疊問題，使PIV這一個先進測量技術可用於稠密流動的測量。該方法已成功地用於顆粒碰撞、沙漠沙粒起跳規律、可吸入顆粒物運動的研究中，所開發的軟體獲得國家軟體著作權登記。

發現了國際通用的以氣體分子運動論為基礎的顆粒碰撞公式存在本質性的誤差，其原因在於實際過程中顆粒濃度與速度分布在時間與空間上的不均勻性造成的，進而提出了合理的修正關係。研究成果在國際著名多相流雜誌上發表，該文為當年的唯一國內論文。後續研究成果被 錄用，審稿意見提及：“Over the last 15 years, there has been a lot of debate about the nature of particle interactions in collisional flows. Much of the debate has been around theory and/or in the form of numerical simulations. The authors of the current work are to be commended for bringing forward an experimental component”。表明該研究能夠得到國際上同行的認可。

主要學術成果3: 可吸入顆粒物運動規律的研究

燃燒源可吸入顆粒物所造成的污染問題越來越引起全世界的重視。對其運動規律的研究是控制可吸入物排放技術開發的重要理論基礎。由於顆粒尺度非常小，所以造成對該問題的研究必須深入到微米甚至納米尺度進行。針對這一問題，本申請者在微米尺度上對可吸入顆粒物運動規律進行了一系列的實驗與理論研究工作，主要研究成果如下：

顯微PIV系統的研製與建立：考慮可吸入顆粒物尺度較小的原因，建立了基於顯微攝像原理的PIV系統，用於研究可吸入顆粒物的運動規律。通過對尺寸為1?m顆粒運動的測量，對不同數據處理算法進行了檢驗，結果表明：所建立的顯微PIV系統可有效獲得微觀流體流動的圖像並可準確進行數據的處理，該系統完全可用於微觀流體流動的測量。類似的研究方法與成果以往在國際上極少有文獻報導。

實現了可吸入顆粒物近壁運動的直接數值模擬：在可吸入顆粒物治理的研究中，由於絕大多數可吸入顆粒物運動都處於流體（如空氣）流動環境下，並且它的尺寸比較小，因此，包含可吸入顆粒物運動的流體流動與我們常見的大顆粒兩相流動必然存在較大的差別，例如顆粒受力方面、湍流運動特徵等。對尺度如此小的顆粒進行氣固兩相流動數值計算，如果採用湍流模型進行模擬，必然有一定的誤差存在。這主要在於顆粒的尺度遠小於湍流最小尺度，因此，顆粒的湍流擴散行為是無法準確模擬出來。本研究者採用湍流直接數值模擬方法對近壁附近可吸入顆粒的運動情況進行了詳細的研究，數值模擬準確再現了近壁面附近的湍流流動特徵，以及可吸入顆粒的運動行為。模擬出顆粒在壁面附近的聚集現象，以及不同尺寸顆粒的分布情況。

採用自主研製的顯微可視化技術(Micro-PIV)對可吸入顆粒運動規律進行了研究，發現了亞微米顆粒間存在著傳統受力模型不能解釋的“吸引－旋繞－排斥”特殊運動規律，提出了除靜電庫侖力、范德華力等之外，顆粒間還存在誘導偶極子作用力的推論和全新的顆粒受力模型，並用實驗進行了驗證。該研究成果對揭示可吸入顆粒物的微觀運動規律及其控制具有非常重要的意義，在國際上尚未發現類似的成果。

主要學術成果4: 煤礦瓦斯治理與利用

煤礦瓦斯災害已經成為困擾我國採煤業的頭等大事。2004年起，在學術興趣與學者責任的驅使下，在工程熱物理學科內較早地開展了煤礦瓦斯災害發生的原理與防治技術研究，並取得了一定的研究成果：開展了煤礦災害條件下瓦斯氣體在通風空氣中的擴散規律基礎研究，理論研究與上百次爆炸試驗均證明：所開發的抽吸式礦井通風方式具有優於壓入式通風方式的優點。目前正積極聯繫國內煤礦企業進行現場試驗與推廣。由於我們在煤礦瓦斯治理方面取得的成績能夠得到國內煤礦安全研究人員的關注，後續研究得到了2006年開始的“十一五”科技支撐計畫的資助，將進行煤礦瓦斯災害防治的深入研究。該研究為工程熱物理學科的外延發展拓展了方向。

我國615處國有重點煤礦每年排放到大氣中的礦井排風甲烷量約為50億立方米，折合標準煤炭量約為600萬噸，相當於一個國有大型煤礦的年產量。由於通風氣體中甲烷含量低（體積濃度<1%，國內煤礦多<0.5%），如何高效利用該能源資源、減少其對溫室相應的影響，已經成為一個世界關注的難題。在近兩年的國內外實地考察與理論研究基礎上，提出了通風甲烷氣體用於燃煤鍋爐輔助燃燒技術，該技術具有甲烷氧化率高、能源利用率高、經濟性優越等優點，可實現環保與節約資源的雙重目的，與國際上廣泛研究的低濃度甲烷氣體高溫氧化（或催化氧化）技術相比，具有更大的工程可行性與經濟性。目前正積極與國內煤礦企業合作進行示範性試驗研究工作。

學術特點

以往研究中，恪守“為學先為人”的學者規範，嚴格本著“嚴謹、勤奮、求實、創新”的態度，從基礎、套用基礎等多個層面開展互動式研究，不僅重視發展基礎理論，而且注重工程背景，套用目的明確。基礎研究成果能夠得到國際上同行的認可，技術發明力爭取得具有我國自主智慧財產權的原創性成果。

獲獎記錄

2007年入選教育部新世紀人才支持計畫，本研究論文在中國工程熱物理學會燃燒學會議上獲得2003年度最佳論文獎。