单位:北京化工大学
学科领域:动力工程与工程热物理
研究兴趣:主要从事超临界 CO2 传热机理及能源利用技术、高端换热器研发、 新型储能与发电系统、太阳能分光谱等清洁能源等方面的科研工作。
社会任职
曾担任英国帝国理工学院研究员、中国科学院大学岗位教授、德国卡尔斯鲁厄理工学院客座教授等。
担任《Frontiers in Energy Research》 期刊 Associate Editor, 《Frontiers in Heat
and Mass Transfer》、《Carbon neutrality》等期刊编委,以及多个期刊的 Guest Editor 等。
中国化工学会会员、北京能源与环境学会京津冀专家。
个人简介
郭江峰,现任北京化工大学教授,曾任英国帝国理工学院研究员、中国科学院大学岗位教授、中科院工程热物理所项目研究员、德国卡尔斯鲁厄理工学院客座教授等。2006年于华北电力大学获双学士学位,2011年于山东大学获博士学位。主要从事低品位余热利用、传热强化理论与节能技术、超临界流体特性与能源利用等方面的研究工作,主持国家重点研发计划课题、欧盟地平线2020科技项目、国家自然科学基金等十余项课题。发表学术论文100余篇,参与编写两部英文著作,申请/授权国家发明专利20多项,担任多个国际SCI学术期刊的副主编、编委等。连续多年入选 “世界前2%顶级科学家”(World’s Top2% Scientists)年度和终身科学影响力双榜单,曾获欧盟玛丽居里学者、中国科学院卢嘉锡青年人才奖、全国百篇优秀博士学位论文提名、中国100篇最具影响优秀学术论文等。
学术贡献
(1) 换热器不可逆损耗理论与性能评价方面
建立了换热设备不可逆损耗评价准则及换热过程优化原则。为了克服现有不可逆评价准则在换热分析中出现的问题,基于换热本身特征和不可逆损耗理论的新发展,推导出具有普适意义的换热系统无量纲评价准则,建立了其与换热有效度和换热器“剩余不可逆损耗”之间的函数关系,克服了国际著名学者 Bejan 提出的熵产数引起的“熵产悖论”,而且避免了改进后熵产数可能大于1从而使Witte-Shamsundar热力学效率为负值的新矛盾。构建温度、热流量等基本参数间约束函数关系,结合变分原理揭示了换热系统性能与运行参数间内在数理关系,反演获得了不可逆性损耗最小的换热系统最优构型——不可逆损耗均匀分布原则,以及量化评价指标。申请人作为第1作者的2篇论文入选“中国100篇最具影响优秀国内学术论文”和“领跑者5000-中国精品科技期刊顶尖学术论文”。
推导流动换热不可逆损耗微观表达并论证与经典传热流动理论的相容性。获得了换热过程由流动阻力引起的不可逆性损耗表达式,以及对流换热的局部不可逆损耗率表达式。建立了包含流阻因素的不可逆损耗极值原理,并证明基于此极值原理,可导出一维稳态不可压缩剪切流的动量和能量平衡方程,从而论证此极值原理和傅里叶定律以及牛顿粘性定律的相容性,在这一点上该极值原理优于熵产最小原理。该方面成果以独立1章“Thermodynamic Analysis and Optimization Design of Heat Exchanger”发表在Springer出版的学术著作中《Advances in Transport Phenomena》。
揭示换热过程两种不可逆损耗之间的量化关系及竞争机制。前人采用传热和流阻两种不可逆损耗简单叠加的方式以寻求最佳换热状态,而往往导致流阻大幅上升。申请人深入分析两种不可逆性损耗之间的内在物理关系和量化规律,揭示了换热过程热力学优化导致流阻增加的物理机制,创新性开发了基于两种不可逆性损耗相互竞争与制约的换热优化新方法,打破了简单叠加的传统方法获得的最优运行工况往往超出工程约束的尴尬现状,克服了以流阻为代价的传统换热强化方法的技术瓶颈。申请人作为第1作者的该方面1篇论文入选“北京青年优秀科技论文奖”。
(2) 换热器多目标多参数协同优化方法和系统优化理论
在部件层面提出换热器多参数多目标协同优化方法,并在系统层面提出了换热系统不可逆损耗最小的全局优化理论。在部件层面针对换热设备设计参数强离散性使传统基于函数连续性的优化方法难以获得最优方案的弊端,构筑了以技术标准、体积、成本等多约束条件下强离散性多设计参数与评价准则之间的约束函数关系及离散型优化方法,构架不可逆损耗理论与换热设备设计之间的技术桥梁。基于换热系统多个性能准则间相互矛盾与制约的内在物理机制,提出了带约束条件的多目标Pareto函数组及全局最优化配置方法,使换热系统中各性能准则间得到充分匹配和规整。进一步拓展至热力系统层面,发展了系统层面多部件协同优化的设计思想,不仅改善换热性能更使热力系统整体性能得到大幅提升。针对热力循环系统,将换热系统间能量输运模型与不可逆损耗理论相结合,通过构造拉格朗日函数等方法揭示了不可逆性损耗在各部件间的关联机制和匹配原则,获得了热力系统中不可逆损耗最小的全局优化理论,为工业系统部件设计、整体布局优化提供了重要理论依据和方法途径。该方面成果申请人主要以第1作者多次发表在《Apply Energy》、《Energy》、《Appl. Therm. Eng.》等国际重要SCI期刊上,SCI引用650多次。
(3) SCO2传热流动特性及换热过程不可逆损耗分析方面
从第一定律角度阐述了SCO2传热流动特性及传热差异性的物理机制。结合强变物性特征修正湍流模型,揭示了超临界流体在水平和竖直流动加热和冷却条件下局部传热恶化/强化现象产生和分布的规律性及差异性,首次从热流与流动匹配性角度阐明了差异性产生的物理机制。阐述了浮力效应及离心力等多种关键因素对于超临界流体传热流动的影响规律及协同作用机制,考虑二次流等因素提出了表征浮力效应更为精确的临界判定依据;结合多物理场耦合方法,阐明了壁温多峰值现象、传热恶化产生机制及分布规律,并进一步阐述了离心力、浮升力等多因素相互影响与协同作用以有效抑制恶化、强化换热的物理机制和技术途径。该方面成果申请人以第1作者/通讯作者多次发表在《Energy》、《Int. J. Heat Mass Transfer》等国际重要SCI期刊上,SCI被引用次数大于150次。
从第二定律角度揭示SCO2传热不可逆损耗分布及传热恶化发生机制。现有文献中通常以传热系数、壁温等作为指标描述超临界流体传热现象,申请人通过复杂流道的热力学不可逆性损耗图形化描述,发现传统二次流理论对于流道内局部传热性能差异的量化描述失效,通过分析局部多物理量分布的协同规律给出了局部传热差异性的定量化描述,并提出了表征传热强化程度的不可逆损耗指标。现有文献中通常开展单侧流体传热特性研究,申请人率先在复杂通道内对拟临界点附近超临界压力流体之间的耦合换热特性开展研究,揭示了多种典型截面局部不可逆性损耗分布规律以及极值分布与几何结构内在的关联机制,阐明了局部传热强化/恶化分布与不可逆损耗相容性规律,并从局部热力学参数分布的协同性角度结合数理统计原理探讨了耦合换热强化/恶化、不可逆性损耗极值产生的物理机制及数理描述。该方面成果申请人以第1作者/通讯作者多次发表在《Energy》、《Int. J. Heat Mass Transfer》、《J. Supercritical Fluids》等国际重要SCI期刊上,SCI被引用次数大于130次。
(4) SCO2换热器分段设计与耦合换热强化理论以及新型高效低耗换热结构开发
提出SCO2换热器分段设计方法及分布匹配的协同优化思想。针对物性剧烈变化导致经典换热理论不适用的瓶颈问题,申请人基于分段设计思想提出了串/并联子换热系统能流模型及构建方法,探讨了强变物性换热性能的关键影响因素,并提出了表征换热过程的更具普适意义的广义特征温差。基于超临界流体本身及边界条件的复杂多变,申请人在过增元等场协同原理启发下,深入分析换热过程各参数分布与换热性能之间的耦合规律和关联机制,结合统计学提出了改善换热参数间分布的匹配性以强化换热的新原理,并提出了表征换热区域参数分布协同程度的量化指标,实现了物性剧烈变化这一设计不利因素到耦合换热强化有利依据的转化。该方面成果申请人以第1作者发表在《Apply Energy》、《ASME J. Heat Transfer》、《Int. J. Heat Mass Transfer》国际重要SCI期刊上,其中两篇论文的单篇SCI引用为78和50。
将提出的SCO2换热器分布匹配的优化原理用于换热系统设计和优化。基于换热参数耦合分布以协同强化的新原理,重新审视了逆流换热形式同等条件下优于顺流形式这一经典命题,对于经典换热规律的深入认识提供了新视角。从换热参数分布的匹配性角度,深度揭示了错流式换热器非均匀性入口边界条件与换热性能之间的内在关联规律及数理描述,提出了不增加或较少增加流阻以非均匀性入口边界条件强化换热的新方法,突破了非均匀入口边界条件恶化换热的传统认知,将工程界尽量避免的非均匀入口条件转变为强化换热的新途径,拓展了强非线性耦合换热的强化理论。进一步将其拓展至换热系统层面,在不牺牲传热面积和压降条件下,基于该强化原则通过改变换热部件的串/并联方式实现系统性能的改善。该方面成果申请人以1作者发表在《Int. J. Heat Mass Transfer》期刊上,SCI引用40多次。
基于传热强化新原理指导新型换热结构设计及布局优化。根据多场协同原理提出了改进的翼形换热结构,相对于国际先进的NACA翼形换热结构综合性能提升12%,相对于常规强化结构之字形通道实验结果显示换热性能相当而压降降低80%以上。按照换热参数分布的匹配性原理,对开发的改进翼形换热结构进行优化,在换热面积和肋片数量不变的条件下以肋片的疏密分布取代常规的均匀分布,从而改善局部热流密度与局部换热面积之间分布的匹配性,实现进一步强化换热。基于太阳能塔式条件下SCO2布雷顿循环系统,在系统层面对回热器进行优化和改进,开发了多种回热器强化结构,相对于直通道结构,可使系统的整体效率最大提升15%,系统整体紧凑度提升约4%。该方面成果申请人以通讯作者多次发表在《Energy》、《Int. J. Heat Mass Transfer》、《J. Supercritical Fluids》等国际重要SCI期刊上,其中提出新型换热结构的论文发表在《Int. J. Heat Mass Transfer》[121 (2018) 354–366],单篇SCI被引用次数超过110次。
工作经历
2011年7月至2024年6月,中国科学院工程热物理研究所,助理研究员、副研究员、项目研究员。
2021年5月至2023年6月,英国帝国理工学院化工系,研究员。
2024年6月至今,北京化工大学机电学院,教授
教育经历
2006 年毕业于华北电力大学获热能与动力工程、工商管理双学士学位;
2011 年毕业于山东大学获得热能工程博士学位。