论述动力工程及工程热物理

1、所谓学科，它的含义有两个：一是作为知识体系的科目和分支。它与专业的 区别在于它是偏就知识体系而言，而专业偏指社会职业的领域。因此，一个专业 可能要求多种学科的综合，而一个学科可在不同专业领域中应用；学科的第二个 含义是高校教学、科研等的功能单位，是对教师教学、科研业务隶属范围的相对 界定。学科建设中“学科”的含义偏指后者，但与第一个含义也有关联。长期以来 学科和专业的概念经常被混淆，专业被等同于二级学科。在这种观念指导下，高 校中必然出现分化过于综合的局面，造成学科之间各自独立分割，资源不能共享; 在人才培养方面表现出过于专门化，知识面不宽；在科研方面也表现出研究方向 狭窄和整体效益低下等等。

2、故而一些名牌大学不得不釆取精减、合并专业的措施, 并强化大学科和学科群的意识。不少重点大学在竞争进入“211工程”时，才感受 到尽管过去几年中横向课题增多了，但科研力量相对分散乃至个体化，而大项 目、高水平研究的实力、学科的总体优势也随之削弱了。现在各类型的大学都在 搞学科建设，无疑是对一段时期内学校发展的总结和反思。专业和学科是不同的，但也密切相关，相辅相成。专业以学科为依托、为后 盾；学科的发展乂以专业为基础。学科为专业建设提供发展的最新成果、可用于 教学的新知识、师资培训、研究基地；而专业主要为学科承担人才培养的任务和 发展的基础，更主要的是为社会的发展提供高素质的劳动者。另一方面，从面

3、向 社会培养人才的角度來看，学科的作用是间接的。在专业定位及培养目标、专业 口径、教学计划、教学内容、教学方法、教学手段的研究与使用、教材、实验设 计与开设、教学管理制度等方面的问题，学科建设是无法替代的。因此，将专业 与学科混淆，或主张学科建设代替专业建设的观点是不正确的。以学科建设代替 专业建设的结果必然是削弱专业特有内容的建设，不利于专业的改革与发展，因 此，理清关系、搞好专业建设，给专业建设适当的地位很有必要。工学门类是最大的门类，其中包括30个一级学科：力学、机械工程、光学 工程、仪器科学与技术、材料科学与工程、冶金工程、动力工程及工程热物理、 电气工程、电子科学与技术、信息与通信工

4、程、控制科学与工程、计算机科学与 技术、建筑学、土木工程、水利工程、测绘科学与技术、化学工程与技术、地质 资源与地质工程、矿业工程、纺织科学与工程、交通运输工程、船舶与海洋工程、 航空宇航科学与技术、兵器科学与技术、核科学与技术、农业工程、林业工程、 环境科学与工程、生物医学工程、食品科学与工程。动力工程及工程热物理是工 学门类的第7个一级学科，代号0807,它对应于本科教育的热能与动力工程专 业，也对应于国家自然科学基金项目管理中的工程与材料科学部工程热物理与能 源利用学科。动力工程及工程热物理一级学科下设6个二级学科一一工程热物理、热能工 程、动力机械及工程、流体机械及工程、制冷及低温工程

5、和化工过程机械学科。 工程热物理学科是研究能量在以热、功以及其他相关的形式转化、传递和利用过 程中的基本规律及其应用的一门应用基础学科。其内容包括：工程热力学、流体 力学、传热传质学和燃烧学等，其工程应用辐射至能源、机械、材料、动力、化 工、建筑、冶金、航空航天、轻工、交通、电子等广泛工业部门以及诸多民生领 域。工程热物理学科是其他五个二级学科的基础理论，与各二级学科广泛交义促 进，相互渗透依存，在本一级学科中起着支撑和指导作用，它的原理其至广泛渗 透于其他一级学科范围，几乎与所有产业部门和科技领域密不可分。热能工程、 动力机械及工程、流体机械及工程、制冷及低温工程和化工过程机械学科属于工 程

6、应用学科，它们运用工程热物理的理论与方法解决现实工程领域中的实际技术 问题。工程热物理学科与其他学科的交义是如此紧密，我们根本无法把它们分离出 來。在实际工作中，没有任何一个从事与热沾边的工作的科技工作者不使用工程 热物理理论，不研究工程热物理的问题，从事工程热物理理论研究的人们也决不 可能完全脱离工程背景从而必须介入热能工程、动力机械及工程、流体机械 及工程、制冷及低温工程和/或化工过程机械等等其他学科，其至不只介入儿个。 建筑环境与设备工程、农业建筑环境与能源工程、飞行器动力工程、环境工程、 核技术与核工程、特种能源工程与烟火技术、消防工程等学科的理论基础显然也 是工程热物理，化学工程、石

7、油化工等等学科还要使用工程热物理的理论方法， 就连冶金学科发展到现在，也在使用工程热物理提供的理论和方法一运用流体 力学、传热学、传质学的基本方程和解决方法來研究、掌握和控制冶金过程。如何更有效地、更持久地、更清洁地利用能源，是动力工程及工程热物理学 科（暨热能与动力工程专业）所面临的首要的、最重要的课题。但如果仅仅从能 源利用的观点來看待动力工程及工程热物理学科，则会大大束缚动力工程及工程 热物理学者的思维，限制动力工程及工程热物理学科的发展。利用工程热物理理 论解决各种工业工艺过程与自然过程中有关热的问题是动力工程及工程热物理 学科另一类重要课题。例如化工、冶金、建筑等工业工艺过程热的利用

8、，地质运 动、天体运动中的热的作用，以及生命体中的流体流动、能量传递和作用等等。在工程应用方面，电力、航空航天、冶金、石油化工、人工环境等等许多领 域不断对本学科提出新的要求和课题。在电力行业，各种联合循环技术的理论准 备己经完成，可以使火力发电总效率提高到50%以上，但是从理论到实践还有很 多工作需要工程热物理学者们去做。在航空航天领域，飞行器在大气层中的高速、 高机动、低噪声、安全飞行，航天器穿梭大气层等等不断对工程热物理学者提出 更高的要求。在火法冶金生产中，釆用工程热物理理论对冶金反应与加工过程中 的传热、流动、熔解和凝固等行为的认识和控制己经成为冶金科学的最新前沿， 由于冶金行业的产

9、值能耗远远高于其它行业，抓紧探索下一步节能降耗工作的前 进方向成为冶金行业永恒的主题。石油化工行业向来是工程热物理学科的传统领 域，随着化工原料和环境因素的不断苛化，这个行业面临的挑战是巨大的。建筑 物是人类生活和工作的场所，在能源消费与人体健康等方面都具有重要影响。节 能、自然、健康等理念势必引來人工环境工程的新浪潮。农村能源向來是能源工 作者不十分重视的领域，但现代化农业己经是名副其实的“石油换食品”，二十一 世纪是工程热物理学者们掉转目光，投向农业的时候了。在学科划分中，动力工程及工程热物理学科分为工程热物理、热能工程、动 力机械及工程、流体机械及工程、制冷及低温工程和化工过程机械等6个

10、二级学 科。此外，作为能源工作者必须了解能源问题的由來、状况和前景以及与经济等 领域的联系，这方面的研究逐渐形成了实质上的一个新的二级学科一一能源工 程。随着本学科研究领域的拓展以及与其它学科的交叉，动力工程及工程热物理 学科乂生长出许多新的研究方向。它们逐步发展壮大，陆续形成本学科下的准三 级学科以至于准二级学科。如材料工艺过程中的热物理研究、生态环境与生命系 统中的热物理研究、环境科学与工程中的热物理研究、工业系统的热力学分析（包 括以能量流、物质流分析为基础的工业生态学分析方法即热力学第一定律分 析和爛分析即热力学第二定律分析。爛分析包括传输过程分析，所以不仅是 热力学分析，而且是热物理

11、分析）、大气运动与大气的传热传质作用（有别于气 象科学，其重点在于人工对小气候的影响，包括污染物传输、建筑与气候等，不 包括人工影响大气候如人工降雨）等等。热能与动力工程是以工程热物理学科为主要理论基础，以内燃机和正在发展 中的其它新型动力机械及系统为研究对象，运用工程力学、机械工程学、自动控 制、计算机、环境科学、微电子技术等学科的知识和内容，研究如何把燃料的化 学能和液体的动能安全、高效、低（或无）污染地转换成动力的基本规律和过程, 研究转换过程中的系统和设备的自动控制技术。随着常规能源的日渐短缺，人类 环境保护意识的不断增强，节能、高效、降低或消除污染排放物、发展新能源及 其它可再生能源

12、成为本学科的重要任务，在能源、交通运输、汽车、船舶、电力、 航空宇航工程、农业工程和环境科学等诸多领域获得越來越广泛的应用，在国民 经济各部门发挥着越来越重要的作用。这方面人才在加强学生基础理论和综合素 质教育的同时，加强计算机及自动控制技术的应用，强化专业实践教学，注重全 能训练，全面提高自己的实践动手能力和科学研究潜力。我国能源动力类专业形成于20世纪50年代。以交通大学为例，1952年院 系调整时，当时设在机械系中的动力组就单独成立了动力机械系。由于受当时苏 联教育体制的影响，在该学科的发展过程中，专业面曾一度越分越细。50年代 初期只有锅炉、气轮机、内燃机等专业，以后乂先后办起制冷专业

13、与风机专业， 制冷专业乂细分出压缩机，制冷及低温专业。在50年代末乂创办了核能专业， 在6070年代有些学校先后设立了工程热物理专业。这样能源动力学科中的专 业就先后包括有锅炉、涡轮机、电厂热能、风机、压缩机、制冷、低温、内燃机、 工程热物理，水力机械以及核能工程等11个专业，形成了明显的以产品带教学 的基本格局。热能与动力工程专业中包含的水利水电动力工程专业的前身为水电站动力 装置专业。该专业形成于20世纪50年代。新中国成立以后，随着国家对水患的 治理和经济建设的发展，国家设立了华东水利学院、武汉水利水电学院、华北水 利水电学院等一些专门的水利院校，1958年起在这些院校和西安交通大学水利

14、 系（西安理工大学水电学院的前身）设立了水电站动力装置专业，以满足国家对 水电建设人才的迫切需求。1977年恢复高考招生后，该专业更名为水电站动力 设备专业。1984年该专业更名为水利水电动力工程专业，涵盖了原水能动力工 程、水电站动力装置、水电站动力设备、水能动力及其自动化、机电排灌工程、 水能动力与提水工程等专业，昆明工业学院、成都科技大学等一些院校都设置了 该专业。1998年，按照国家教育部颁布的新的专业目录，水利水电动力工程专 业并入热能与动力工程专业，新的热能与动力工程专业包含了原來的热力发动 机、流体机械及流体工程、热能工程与动力机械、热能工程、制冷与低温技术、 能源工程、工程热物

15、理、水利水电动力、工程冷冻冷藏工程等9个专业。客观上说，这种专业划分与当时我国计划经济的体制以及工业发展的实际情 况，在一定程度上是相适应的。过窄的专业面，但却培养了专业工作能力较强的 学生。因此，在当时对我国经济的发展和工业体系的重建，曾经起到过积极的作 用。但随着社会经济向现代化方向的发展和高新科学技术的进步，特别是我国改 革开放以后，国外先进科技、管理体系的大量引进，学科的交义融合不断产生新 的经济增长点，当时实际存在的过细过窄的工科专业设置，总体上己不能适应新 的形势和发展对人才的需要，必须进行专业调整。因此，在1993年原国家教委 进行的专业目录调整中，将能源动力学科的上述前10个专

16、业压缩为4个专业， 即热能工程，热力发动机，制冷与低温工程，流体机械与流体工程，核工程与核 技术保留。1998年，教育部颁布了新的专业目录，将上述前4个专业进一步合 并为热能与动力工程专业，核工程与核技术专业单独设立，而在引导性的专业目 录中，则建议将热能工程与核能工程合并。但当时我国大多数学校还是采用了热 能工程与核能工程单独设专业的方案。因此，在2000年教育部设立的新一轮教 学指导委员中，在能源动力学科教学指导委员会下分设了三个委员会：热能动力 工程，核工程与核技术以及热工基础课程教学指导分委员会。能源动力工业是我国国民经济与国防建设的重要基础和支柱型产业，同时也 是涉及多个领域高新技术

17、的集成产业，在国家经济建设与社会发展中一直起着极 其重要的作用。近年來，随着我国各个方面改革的深化发展，包括市场经济的逐 步建立，国有大中型企业机制的转换，加入WTO后面临的挑战，以及能源动力 领域技术的发展，并考虑到我国核科技工业“十一五”以及到2020年发展所面临 的形势与任务，我国能源动力类以及核相关专业人才的培养面临着严峻的挑战。 能源动力及环境是目前世界各国所面临的头等重大的社会问题，我国能源工业面 临着经济增长、环境保护和社会发展的重大压力。我国是世界上最大的煤炭生产 和消费国，煤炭占商品能源消费的76%,己成为我国大气污染的主要来源。己 经探明的常规能源剩余储量（煤炭、石油、天然

18、气等）及可开采年限十分有限，2000 年的统计资料表明，我国化石能源剩余可储釆比煤炭为92年，石油20.5年，仅 为世界储釆比的一半；天然气为63年，优质能源十分匮乏。我国已成为世界第 二大石油进口国，对国际石油市场的依赖度逐年提高，能源安全面临挑战，存在 着十分危险的潜在危机，比世界总的能源形势更加严峻。现在，能源资源的国际 间竞争愈演愈烈，从伊拉克战争及战后重建，到中日双方在俄罗斯输油管线走向 上的角逐等一系列国际问题，无不是国家间能源战略利益冲突、斗争的具体反映。 因此开发利用可再生能源、实现能源工业的可持续发展具有应该说更加迫切、更 具重大意义。我们应该清楚地认识到：我国的能源资源是有

19、限的，我国现有能源 开发利用程度与效率很低，在清洁能源开发、能源综合高效利用和环境保护领域 内，与发达国家存在着较大的差距：我国水能资源理论蕴藏量（未包括台湾省） 为6.76亿KW,可开发容量3.78亿KW,相应年发电量19200亿KWh,均居世界 第一；至2003年底水电装机容量达到9139万KW,年电量2710亿KWh,开发 率按电量算只有14%,按装机容量算只有24.2%,远远落后于美国、加拿大、 西欧等发达国家，也落后于巴西、埃及、印度等发展中国家。高耗能产品能源单 耗比发达国家平均水平高40%左右，单位产值能耗是世界平均水平的2.3倍。同 时，实施可持续发展战略对能源发展提出了更高的

20、要求。长期以來，粗放型的增 长方式使能源发展与保护环境、资源之间的矛盾日益尖锐。未來能源发展中，如 何充分利用天然气、水电、核电等清洁能源，加快新能源与可再生能源开发，推 广应用洁净煤技术，逐步降低用于终端消费煤炭的比重，实现能源、经济、环境 的可持续发展将是”十五”以及中长期能源发展面临的重要选择。特别地，我国核 科技工业是国家的战略行业。完善的核科技工业体系是确立一个国家核大国地位 的基本条件。它既是国家战略威慑力量和国防科技工业的重要组成部分，是国家 政治、国防安全的重要保障和外交利益所在，同时乂是国民经济的重要产业。核 军工、核能、核燃料和核应用技术产业，是我国核科技工业的主要组成部分

21、。与 此相适应，如何培养适应上述21世纪社会需要的能源动力类以及核相关专业人 才，是每个大学相关专业以及每位从事能源动力类专业教育的工作者需要解决的 重要问题。常规化石能源的使用是能源动力学科专业教学的主要内容之一，而常规化石 能源的使用与环境问题密切相关。目前，煤炭、石油、天然气等化石能源仍在整 个能源构成中占据主导地位，而且估计在今后儿十年地时间内这一局面还不会改 变。这些常规化石能源主要直接应用于火力发电，这会带來一系列严重的环境问 题，比如硫氧化物、氮氧化物等的大气污染、固体废物、水污染和热污染等。据 最近的报载，当前我国每年火力发电的煤炭耗量超过8亿吨，电厂的烟尘排放量 约为350万

22、吨，占全国烟尘排放量的35%。其中微细粒子（小于10微米）排放 量超过250万吨，是影响大城市大气质量和能见度的主要因数，并严重危害人体 健康。因此，对能源动力生产过程中的这些环境问题必须进行妥善处理和控制， 实现其环境友好化，才能保证人类的生存和社会经济的可持续发展。环境问题己 经成为能源动力技术研究中的重要组成部分，也必须在专业课程的教学中有相应 的体现。也正是基于这一原因，浙江大学己经将原來的热能与动力工程专业改名 为能源与环境系统工程专业。核能发电虽然没有上述火力发电那样的问题，但有 其独特的问题，如辐射防护与保健、核废料的处置与处理等均与环境保护有关。 迫于环境方面对能源开发与利用的

23、巨大压力，作为常规能源的水能由于具有清洁 与可再生的特点，其开发与利用越來越得到重视，在我国能源发展战略占有十分 重要的地位。本专业培养集热能与动力工程知识、机械工程知识与现代控制技术知识为一 体的高级工程技术人才。毕业生既具备热能与动力工程和机械工程的知识，乂掌 握大量的计算机科学与控制技术方面的知识，具有很强的适应能力与竞争能力。 在加强学生基础理论和综合素质教育的同时，本专业加强计算机及自动控制技术 的应用，强化专业实践教学，注重全能训练，全面提高学生的实践动手能力和科 学研究潜力，使毕业生具有较强的择业竞争能力和较宽的就业适应能力。毕业生 主要适于到能源动力、制冷空调、低温工程、流体机

24、械等行业的中外企业从事能 源与动力工程领域的设备设计、开发、控制、运行管理等工作；也可到石油化工、 电力、冶金、建筑、环保、铁路等企业从事能源开发与利用、能源系统分析与管 理、环境污染控制技术等方面的研究工作；还可在高等院校、科研院所和政府机 关从事教学、科学研究与管理等工作。本专业为适应社会主义市场经济需要，培 养徳、智、体全面发展，具备热能工程、动力机械、动力工程、制冷与低温工程 等方面基础知识，能在国民经济各部门从事热能工程、动力机械（如热力发动机、 流体机械、水力机械）、动力工程（热电厂工程、制冷与低温工程、空调工程） 的设计、制造、开发、运行、控制、实验研究和安装调试、管理、环保、营

25、销等 方面工作以及能源管理和节能技术工作的高级工程技术人才。本专业学生主要学 习工程热物理、动力工程、动力机械及检测控制的基本理论，学习各种能量转换 及有效利用的理论和技术，受到现代工程师的基本训练，具有进行动力机械、热 工设备或制冷工程、制冷机械和设备（包括检测与控制系统）的设计、制造、运 行、管理、实验研究及企业能源管理和节能技术改造的基本能力。而热能与动力工程毕业生应具备的知识和能力有：较扎实的自然科学基础， 较好的人文、艺术和社会科学知识及应用能力；较系统地掌握本专业必需的技术 基础理论，主要包括力学理论（工程力学、流体力学）、热学理论（工程热力学、 传热学）、电工与电子基本理论、自动

26、控制理论、计算机技术、热能与动力工程 基础理论等；掌握热能工程领域所必要的专业知识，了解学科前沿及发展趋势； 获得本专业领域必须的制图、计算、测试、调研、查阅文献和基本工艺操作、运 行等基本技能；掌握一门外国语，要求能阅读本专业的外文资料，并具有一定的 听说能力；具有一定的计算机相关知识和较强的计算机应用能力，能较熟练地应 用计算机解决本专业领域有关实际工程应用问题；掌握应有的体育锻炼基本知识 和基本技能，具有良好的身体素质；具有较强的自学能力、创新意识和创新能力。工程热物理，顾名思义，是具有工程特点的（或者主要为工程实际服务的）、 关于热的物理学。物理学属于科学的范畴，是人类对自然界客观规律

27、的认识。工 程实际则属于技术的范畴，是人类改造和适应客观世界的工具。工程热物理就是 在热的领域把科学与技术连结在一起的桥梁和纽带，它要把物理学中人类对热现 象不断探索所获得的认识转化成为实用技术用于工程实际，还有对工程实际中遇 到的未知问题利用物理学的思想、方法、手段进行探索和认识。工程热物理学科是研究能量在以热、功以及其他相关的形式转化、传递和利 用过程中的基本规律及其应用的一门应用基础学科。其内容包括：工程热力学、 流体力学、传热传质学和燃烧学等。随着科学技术的进步，多相流动与传热传质、 热物理量测技术在整个动力工程及工程热物理学科中的地位和作用越來越重要， 所以应提升为相当于三级学科的程

28、度。广义地，能够使流体与设备之间相互传递能量的装置均可称为流体机械。由 于所包含的内容过于庞大，故约定俗成地将原动机（流体向设备传递能量）称为 动力机械，学科划分时也同样处理。于是，流体机械专指将能量传递给流体以提 高流体的速度（动能）或压力的设备。流体机械种类繁多，按基本运动形式可以 分为往复式和旋转式两大类；按基本工作原理分为容积式和速度式两大类；按照 工作压力分为:压气机（必=0.2WMPa）、鼓风机（必=0.1MPa左右）、通风 机（必=1010经小和真空泵（必0） o目前研究和技术进步的重点是旋转速度 式流体机械，与汽轮机、燃气轮机等同属于叶轮机械，包括透平式压缩机、鼓风 机、通风机

29、、风扇、泵以及变矩器、偶合器、阀门等等。这门学科最初是随着汽轮机的发展而逐步建立起來的。由于控制方程的强非 线性和边界条件、初始条件的复杂性，最初是借助外部流动关于机翼流动研究的 结果，为设计提供简单的一维流动计算方法，即仅在进、出口截面用速度三角形 來设计，而不考虑叶片沿叶高方向的扭转规律。随着燃气轮机在航空发动机中普 遍应用，迫切要求深入研究叶轮机械的内部流动。对此，吴仲华教授指出，必须 釆用考虑叶片间相互作用的方法來重新研究这一问题。1952年，他创立了具有 划时代意义的叶轮机械三元流动理论。动力工程及工程热物理学科是一个工科门类的一级学科，与生产实际联系紧 密。可靠性分析与设计是工程科学需要普遍掌握的知识和技能之一，本学科也不 例外，尤其是高速旋转的动力机械和流体机械、热能工程与化工过程大量使用的 压力容器、各种高温和燃烧设备等等，均对可靠性有极高的要求。现代工程上许 多系统和设备的结构极为复杂，彼此相关的任一部分生效就可能导致整个系统和 设备发生故障，产生严重的后果。新材料、新技术的运用，缺少研究的领域和亟 待开发的问题还很广阔，这些都可能成为不可靠、不安全的因素。加之设备高性 能、高操作运行条件，存在着控制和管理引起的失效可能性，使得可靠性分析与 设计发展了起來。可靠性设计不仅能够得到精确的设计计算结果，同时还能对设 计对象的可靠性进行预先估