本项目以太阳能高温热转换利用为应用背景，以斜温层蓄热单罐设计理念为基础，采用混合硝酸熔融盐作为传热蓄热介质，锆质蓄热球与泡沫碳化硅陶瓷两种代表性的多孔介质填料作为固体蓄热体，构建了多尺度结构斜温层混合蓄热方法及系统。实验研究了多尺度结构中熔融盐的流动与蓄热特性，包括温度场分布、斜温层的形成与演化、有效蓄热容量等，确定流体进口速度、蓄热温差等工况参数对熔融盐在多尺度结构中流动与传热性能的影响趋势与作用规律。研究结果表明，由于斜温层的存在，三种实验蓄热方式中的理论蓄热效率小于80%；多孔介质填料的加入有利于保持熔融盐流体为理想的重力流或活塞流，并部分替代价格较高的熔融盐传热蓄热介质，因而采用类似的球形颗粒或泡沫陶瓷多孔介质填料时需要结合系统的蓄热容量以及经济性进行最优化设计。 基于多孔介质局部热平衡理论，建立考虑流体热物性变化的斜温层蓄热数值模型，利用Fluent软件对熔融盐斜温层混合蓄热与放热过程进行了数值分析，研究多孔介质物性、孔隙结构以及工况参数等对多尺度结构中熔融盐传热与流动的影响规律，并根据蓄热实验测试结果验证数值计算模型的有效性。结果表明，在蓄热及放热过程中，蓄热单罐内均形成了稳定的斜温层，并且随着时间的推移，斜温层的位置沿熔融盐流动方向移动，其厚度不断增加，但增加量逐渐趋缓；采用合理的低流速进行高温蓄热可以控制斜温层的形成及演化，从而提高系统的蓄热效率。比较数值计算结果与实验结果可知，其温度场、斜温层等特征参数的分布及变化规律是基本一致的，最大相对偏差值为13.9%，说明基于多孔介质局部热平衡理论建立的计算模型对于描述多尺度结构中熔融盐流动与传热现象是适用的。 探索强化蓄热过程传热传质机理与方法，优化设计多尺度结构熔融盐单罐蓄热系统。设定一种体积热容（ρcp）高于熔融盐的球形颗粒填料，在指定工况下对蓄热过程进行数值模拟。对比分析可知，其蓄热时间相比于熔融盐单相流体斜温层蓄热方式有较明显的延长，即提升了系统的有效蓄热体积容量，估算其增幅约为17%；同时在整个蓄热过程中，新设定系统的斜温层厚度与增长速率均低于熔融盐单相流体斜温层蓄热方式。因此，通过对斜温层混合蓄热系统的多孔介质填料进行性能提升或者结合熔融盐复合相变材料蓄热方式，可以实现对蓄/放热过程斜温层的形成及演化进行优化调控，从而提高系统的蓄热效率，这也为下一步的研究工作指明了努力的方向。

本项目以太阳能高温热转换利用作为基础研究的应用背景，提炼出开发高温蓄热技术所需解决的多尺度结构中多相流体流动行为与耦合传热传质规律的关键科学问题，作为研究目标。采用熔融盐作为传热蓄热介质，构建多尺度结构斜温层混合蓄热方法及系统，研究多尺度结构中传热蓄热介质流动与热交换规律。以结构尺度、孔隙分布和微弱现象影响区域为重点考虑，确定传递现象、各种微弱效应现象与多尺度因素的耦合关系，深入探悉多孔微细结构内多相多物系界面迁移特性，揭示微结构形成、稳定性条件和结构突变对多孔蓄热材料中熔融盐输运过程的影响机理和耦合作用规律，确定多孔蓄热材料微结构与宏观输运特性之间量化关系，发展多孔蓄热材料微结构可控的设计与制备新技术，探索强化蓄热过程传热传质机理与方法，实现对高温蓄热过程宏观现象的理论预测以及过程工程设计的一般方法。

本书系统介绍了作者近年来在土石混合体破裂与渗流过程中结构演化的多尺度力学特性方面所取得的学术成果，从结构劣化多尺度工程地质力学角度出发，对土石混合体结构弱化过程中土石相互作用及互馈致灾力学响应进行了较为系统的研究。全书共 6 章，主要内容包括：绪论、土石混合体细观数值试验研究、土石混合体实时超声波试验研究、土石混合体实时 CT 扫描试验研究、土石混合体渗流特性结构控制机理研究和土石混合体渗流破坏演化特性研究。

由于传统换热介质的热容量和导热系数较小以及普通换热设备的换热效率低下，严重影响换热设备换热效率的提升。本项目将纳米流体与不同强化结构的换热面相结合应用于光热转换、换热器、电子元件冷却等领域的换热设备中，对纳米流体与强化传热面的耦合传热特性及强化机理进行研究。针对光热转换的腔体，本项目建立了纳米流体流动与传热的两相格子Boltzmann模型，研究了纳米颗粒间的相互作用机理和纳米颗粒在腔体内的分布规律，揭示了纳米颗粒粒径对流动与传热的影响规律，结果发现布朗力的数量级远远大于颗粒间其它的作用力，在强化换热方面起着决定性的作用，纳米颗粒主要分布在腔体的上部或者中部，粒径越小越有利于强化传热，这对光热转换腔体内传热介质及工况的选择、传热机理的解释及强化传热的方向提供了一定的指导意义。针对换热器，本项目配制了不同种类的纳米流体，提出了一种基于紫外分光光度计的稳定性检测方法-透过比法，该方法是一种定量检测方法，与定性的沉淀法相比，具有更加准确的优势。本项目将配制的纳米流体与各种强化结构的换热管相结合，研究了不同结构的强化换热面、纳米颗粒组分对流动与传热的影响，发现强化结构与纳米流体的结合大大提升了换热效果，同时也大大增加了其流动阻力。为了能够客观、综合地评价这些强化技术，引入了火用效率，但是传统的火用效率需要针对每一个物理问题进行模型建立及公式推导，过程繁琐。本项目提出并建立了一种统一的火用效率评价准则图，与传统的火用效率评价相比，本项目的火用效率评价准则图适用范围更广，只要涉及到强化手段，该评价准则均可适用，并且不再需要单独推导和建模，这对于以后新的强化技术在能的品质上的综合评价有一定的指导意义。针对电子元件冷却，本项目研究了不同的强化换热面与纳米流体的结合，结果发现最大纳米颗粒组分的冷却效果不是最好，而是存在一个临界组分，这对于电子元器件冷却表面结构的设计、传热介质及工况的选择提供了一定的指导意义。

由于传统换热介质的热容量和导热系数较小以及普通换热管道的换热效率低下，严重影响换热设备换热效率的提升。本项目将不同颗粒结构的纳米流体与强化换热管相结合应用于换热设备中，对强化换热管内纳米流体耦合传热特性及强化机理进行研究，用于提高换热设备的换热效率。研究内容主要包括：将纳米颗粒微观结构的影响引入颗粒间相互作用力模型中，建立更高精度的纳米流体颗粒间相互作用力模型；耦合纳米颗粒间主要相互作用力和强化换热管主要结构参数，完成高阶复杂湍流模型的降阶处理，建立强化换热管内纳米流体湍流流动与传热的格子Boltzmann模型；研究纳米颗粒间的相互作用机理和纳米颗粒的分布规律；揭示纳米颗粒间相互作用力与强化换热管结构的耦合强化换热机理；分析纳米颗粒的微观结构对纳米流体稳定性和湍流流动与传热特性的影响，建立传热学与动力学特性的评价体系。该项目对于丰富纳米流体强化换热机理的研究、推动其应用有重要意义。