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如何培养新时代卓越工程师?——美国工程教育“戈登奖”获奖项目的启示

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清华大学教育研究 2024年第3期45卷 77-86页

作者：符杰钟周乔伟峰清华大学教育研究院北京100084 联合国教科文组织国际工程教育中心北京100084

本研究梳理戈登奖自2001年设立以来至2023年全部20项获奖项目概况与特征,发现了这些项目在培养目标、组织形式、培养方式、优先领域、范式推广五方面的特征,即培养具有社会责任感、国际视野和综合能力的工程领导者;采取开放多元的跨学... 详细信息

本研究梳理戈登奖自2001年设立以来至2023年全部20项获奖项目概况与特征,发现了这些项目在培养目标、组织形式、培养方式、优先领域、范式推广五方面的特征,即培养具有社会责任感、国际视野和综合能力的工程领导者;采取开放多元的跨学科跨院校等跨界合作组织形式;实施基于项目、有工程特色的、灵活多样的培养模式;关注前沿领域的教育改革与技术创新,鼓励通过技术创业的方式来实现科技成果转化;培养成效显著,通过成立国际组织、发起全球倡议多种方式促进成果的推广应用。在此基础上,为我国新时代卓越工程师培养提出了政策建议,包括创新“跨界”型工程人才培养,开拓“工程+”人才培养新格局;注重科技创新与技术创业能力培养,打造“三创”工程教育生态系统;设立国家工程教育专项教学成果奖,提升工程师社会地位与影响力和加强国际合作交流,开展工程领导力项目。

关键词：卓越工程师工程教育戈登奖教学成果创新奖美国

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半开窄管道中泰勒弥散对火焰影响的数值研究

工程热物理学报 2024年第9期45卷 2847-2852页

作者：陈灿若 VALIEV DAMIR 热科学与动力工程教育部重点实验室清华大学能源与动力工程系北京100084 清华大学燃烧能源中心北京100084

本文采用直接数值模拟方法对无量纲管径、热膨胀系数、刘易斯数和泽尔多维奇数进行大量参数研究,讨论半开放窄管道中泰勒弥散效应对于预混合火焰(在闭口端点燃向开口端传播)传播的影响。数值模拟结果阐释了火焰燃烧速率与管径之间的非... 详细信息

本文采用直接数值模拟方法对无量纲管径、热膨胀系数、刘易斯数和泽尔多维奇数进行大量参数研究,讨论半开放窄管道中泰勒弥散效应对于预混合火焰(在闭口端点燃向开口端传播)传播的影响。数值模拟结果阐释了火焰燃烧速率与管径之间的非单调依赖关系,这种非常规的依赖关系进一步揭示了泰勒弥散效应与火焰拉伸效应的相互竞争。此外,本文基于大量数值模拟计算总结了泰勒弥散效应主导火焰行为的管径和热膨胀系数范围。本文还发现,由于泰勒弥散效应主导下火焰增厚和不易拉伸的特点,使得刘易斯数和泽尔多维奇数对于窄管道中火焰燃烧速率和火焰结构的影响非常微弱。

关键词：泰勒弥散厚火焰数值模拟

工科本科生数字能力生成路径研究——基于研究型大学制造类专业的fsQCA组态分析

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中国高教研究 2024年第2期 8-15页

作者：陶金虎郄海霞王世斌清华大学教育研究院、联合国教科文组织国际工程教育中心北京100084 天津大学教育学院天津300350 天津大学教务处天津300350

高水平数字能力是工程人才核心竞争力提升的关键。以自我决定理论、个人-环境匹配理论为指导,基于fsQCA模型分析了1801名学生数字能力生成路径。结果显示,高水平数字能力包括“角色压力-个体参与、工作要求-资源支持、复合条件协同、自... 详细信息

高水平数字能力是工程人才核心竞争力提升的关键。以自我决定理论、个人-环境匹配理论为指导,基于fsQCA模型分析了1801名学生数字能力生成路径。结果显示,高水平数字能力包括“角色压力-个体参与、工作要求-资源支持、复合条件协同、自我诱发驱动”四条生成路径,低水平数字能力包括“压力回避-自我冲突、压力束缚-资源抑制、感知脱敏-被动适应”三条生成路径。工具资源或教师要求投入是数字能力高水平发展的关键,内外部关键因素失调致使数字能力低水平发展,多元组态构型催发类个性化的管理模式,数字能力动态转向的核心是“扬长补短”。未来要依据个体数字能力生成路径,确保核心要素供给,平衡内外部关键因素建设,切实提供多元化发展通道。

关键词：数字能力生成研究型大学制造类专业

液滴群在两段自着火条件下的内群燃烧及向外群燃烧的转变数值模拟分析

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燃烧科学与技术 2024年第2期30卷 111-118页

作者：周恒毅刘有晟清华大学燃烧能源中心能源与动力工程系北京100084 清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

利用数值模拟研究了正庚烷和正十二烷液滴群在两段自着火条件下的内群燃烧及向外群燃烧转变的机理.首先分别分析了冷火焰和热火焰内群燃烧的火焰结构.进一步比较发现,虽然正庚烷与正十二烷的挥发性不同,但液滴群参数相同时其燃烧阶段一... 详细信息

利用数值模拟研究了正庚烷和正十二烷液滴群在两段自着火条件下的内群燃烧及向外群燃烧转变的机理.首先分别分析了冷火焰和热火焰内群燃烧的火焰结构.进一步比较发现,虽然正庚烷与正十二烷的挥发性不同,但液滴群参数相同时其燃烧阶段一致,通过对时间尺度和蒸发进程的分析发现,该现象的原因为液滴群内燃烧是蒸发控制的物理过程,挥发性不同仅影响不同过程发生的时间.最后,对液滴群内燃烧向外燃烧过渡的算例展开分析,发现液滴群内燃烧火焰穿透整个液滴群后,液滴群内部氧气减少,形成了富燃的区域,而液滴群外部形成了传统的扩散火焰.

关键词：液滴群群燃烧二段着火冷火焰

微重力条件下层流多元乙烯扩散火焰的数值模拟

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清华大学学报(自然科学版) 2024年

作者：费腾沈畅游小清清华大学未央书院清华大学能源与动力工程系燃烧能源中心清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室

微重力与常重力条件下的燃烧现象存在显著差异。深入研究微重力条件下的扩散火焰结构,对于丰富燃烧理论,促进航天工程等领域的发展具有重要意义。该文采用数值模拟手段,研究了多元扩散燃烧器下的乙烯/氧气/氩气火焰的结构特征,设计了3... 详细信息

微重力与常重力条件下的燃烧现象存在显著差异。深入研究微重力条件下的扩散火焰结构,对于丰富燃烧理论,促进航天工程等领域的发展具有重要意义。该文采用数值模拟手段,研究了多元扩散燃烧器下的乙烯/氧气/氩气火焰的结构特征,设计了3组计算工况分别研究重力、压力及氧气体积分数对火焰结构的影响机制。结果表明,该多元扩散火焰的形态与燃料当量比和压力相关,在常压及富燃条件下形成双层火焰,内层与外层分别由乙烯和一氧化碳的燃烧产生。随着重力加速度由9.8 m/s2降至0,火焰的高度升高、宽度变宽、温度降低。随着压力由50 k Pa升至500 k Pa,火焰高度降低且形态发生变化,同时火焰温度在常重力和微重力条件下分别升高了590和80 K。随着氧气体积分数由1.00降至0.50,火焰高度升高,火焰由分离火焰转变为双层火焰,同时火焰温度在常重力和微重力条件下分别降低约250和600 K。

关键词：微重力层流扩散火焰多元扩散火焰数值模拟

CaCl_(2)复合热化学储热材料的研究进展

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化工进展 2024年第8期43卷 4506-4515页

作者：孙忻茹张秋怡卓建坤杨润姚强新疆大学电气工程学院新疆乌鲁木齐830046 清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

水合盐热化学储热技术具有储热密度高、长期储存热损失小等优点,有望解决太阳能供给与能源需求间不平衡的问题。CaCl_(2)具有快速水合反应动力学、高储热密度、低成本、原料广泛的优势。然而,纯水合盐存在膨胀结块、热导率低、稳定性差... 详细信息

水合盐热化学储热技术具有储热密度高、长期储存热损失小等优点,有望解决太阳能供给与能源需求间不平衡的问题。CaCl_(2)具有快速水合反应动力学、高储热密度、低成本、原料广泛的优势。然而,纯水合盐存在膨胀结块、热导率低、稳定性差等问题。目前,研究者主要通过高热导率的多孔基质担载使水合盐均匀分散,实现稳定性的提升,并通过微纳米孔增加气体扩散通道,加快反应速率。本文分析了CaCl_(2)复合热化学储热材料性能的主要影响因素,分别从储/放热机理分析、性能评价指标、复合材料物性的调控三方面展开。研究发现,多孔基质的孔隙特性、CaCl_(2)的担载量是影响复合材料储热密度的主要影响因素,介孔结构的多孔基质更适宜作为水合盐热化学反应的载体。同时,加入镁基盐类形成二元盐复合材料是另一种有效的物性调控方法,其中,MgCl2能有效提高CaCl_(2)的循环稳定性,在50次循环测试后仍保持良好性能。最后,指出了未来研究的重要技术方向,即开发以介孔结构为主的多孔基质,包括提高多孔基质的孔道开放度和稳定性、探索构建新的二元盐复合材料以及储热系统与储热材料的匹配等。

关键词：热化学储热氯化钙复合材料多孔基质储热性能

一种阴离子浸出策略合成金属羟基氧化物用于电催化甘油氧化

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物理化学学报 2024年第7期40卷 43-46页

作者：王烨葛瑞翔刘翔李敬段昊泓清华大学化学系北京100084 清华大学化学系稀土新材料教育部工程研究中心北京100084

亲核氧化反应在可持续生产增值化学品中扮演着重要角色。电催化甘油氧化反应作为亲核氧化反应的一种重要类型,可以制得包括甲酸在内的C_(1)至C_(3)衍生产物。非贵金属氢氧化物/羟基氧化物被广泛应用于甘油氧化反应,但在中等电位下难以... 详细信息

亲核氧化反应在可持续生产增值化学品中扮演着重要角色。电催化甘油氧化反应作为亲核氧化反应的一种重要类型,可以制得包括甲酸在内的C_(1)至C_(3)衍生产物。非贵金属氢氧化物/羟基氧化物被广泛应用于甘油氧化反应,但在中等电位下难以达到工业级电流密度(大于300 mA·cm^(-2))。研究表明,氢氧化物/羟基氧化物催化的甘油氧化反应通过间接氧化机理进行,即通过电生成的含有亲电吸附氧的羟基氧化物氧化亲核试剂(甘油)。因此,理解甘油氧化反应中电催化剂的演变至关重要。在本文中,通过循环伏安法活化钼酸镍(NiMoO_(4)),开发了一种钼掺杂的羟基氧化镍(Mo-NiOOH)催化剂。通过多种表征方法对Mo-NiOOH进行了系统表征,结果显示,Mo-NiOOH继承了NiMoO_(4)前驱体的纳米片阵列形貌,但Mo含量降低,证明循环伏安法活化后实现了从氧化物到羟基氧化物的相重构。此外,Mo-NiOOH中Ni^(3+)/Ni^(2+)的比例高于循环伏安法活化制备的NiOOH。在活化过程中,Mo物种从NiMoO_(4)中浸出,制备得到的Mo-NiOOH保留了NiMoO_(4)前驱体的纳米片阵列形貌。与氢氧化镍(Ni(OH)_(2))经循环伏安法活化合成的NiOOH相比,Mo-NiOOH具有更高的Ni^(3+)/Ni^(2+)比例以及更高的电化学比表面积(ECSAs),且促进了Ni^(2+)氧化为Ni^(3+)。因此,Mo-NiOOH达到高电流密度(400mA·cm^(-2))的电位(1.51V ***)低于NiOOH(1.84 V ***)。此外,Mo-NiOOH表现出高于NiOOH的甲酸盐法拉第效率(84.7%vs.59.6%),表明钼掺杂加速了碳-碳键断裂。多电位阶跃实验显示,NiOOH和Mo-NiOOH催化的甘油电氧化通过类似的羟基氧化物介导的间接氧化机理进行。原位电化学阻抗谱和原位拉曼光谱证实,Mo掺杂促进了甘油氧化反应动力学以及Ni^(2+)氧化为Ni^(3+)的过程,导致Mo-NiOOH比NiOOH具有更高的活性和甲酸选择性。本研究通过可溶性阴离子浸出策略来调节羟基氧化物表面结构,为设计高性能亲核氧化反应电催化剂提供了指导。

关键词：循环伏安法活化电催化甘油电氧化羟基氧化物重构

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MILD粉体燃烧技术研究进展与关键问题分析

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煤炭学报 2024年第1期49卷 224-234页

作者：吕俊复冯乐乐吴玉新张海清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

MILD燃烧是一种在中度或极度低氧环境下发生的温和燃烧模式,兼具高燃烧热利用率和极低NOx排放的优势,国际燃烧领域认为它是拥有巨大应用潜力的清洁燃烧技术之一。自1990年左右开展相关研究以来,对于实现气体燃料的MILD燃烧的相关技术已... 详细信息

MILD燃烧是一种在中度或极度低氧环境下发生的温和燃烧模式,兼具高燃烧热利用率和极低NOx排放的优势,国际燃烧领域认为它是拥有巨大应用潜力的清洁燃烧技术之一。自1990年左右开展相关研究以来,对于实现气体燃料的MILD燃烧的相关技术已相对成熟,而关于煤粉和生物质等固体燃料的MILD燃烧机制和实现条件的研究仍相对缺乏。基于高动量氧化剂射流来实现内部再循环,不再需要外部高温预热来建立MILD燃烧,极大拓宽了MILD燃烧的应用范围。从颗粒弥散、受热、着火、燃烧、污染物等方面概述了MILD粉体燃料燃烧的基础特性,由于颗粒的不均匀弥散和反应,煤粉等碳基固体燃料的MILD燃烧进程较气体燃料更复杂。高速射流MILD燃烧在增加点火延迟的同时也扩展了点火区和反应区,需要对燃烧各阶段的特征和机理开展系统研究。介绍了固体燃料MILD燃烧理论设计和装备研发领域所取得的研究成果,建议通过高精度数值模拟,改进现有燃煤锅炉燃烧器、调节工艺参数以匹配MILD燃烧模式,增加焦炭颗粒的停留时间以提高燃烬率,提高燃烧稳定性并抑制包括细颗粒物在内的各类污染物排放。基于互联能源系统的整体方法,推进MILD燃烧与各类新型燃烧技术的耦合研究,尤其加强煤粉、生物质与氢、氨等可燃气体共燃特性研究,助力能源转型。探究粉体MILD燃烧中的湍流两相流特征、湍流相间传热作用以及湍流-化学耦合作用是加深对粉体MILD燃烧理解的关键,涉及多变量分析和高精度模拟,是未来研究的重点和难点。

关键词：低氧稀释燃烧(MILD) 高速射流煤燃烧污染物湍流

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旋流雾化火焰合成稀土掺杂氧化钇的结构形貌和光电性能调控研究

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工程热物理学报 2024年第2期45卷 569-575页

作者：雷舒婷张易阳李水清清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084 清华大学核能与新能源技术研究院先进核能技术协同创新中心先进反应堆工程与安全教育部重点实验室北京100084

稀土元素掺杂的钇基纳米颗粒在荧光发光、激光晶体和透明陶瓷等领域具有广阔的应用前景。本文针对Ce,Nd,Yb和La四种稀土元素,采用旋流雾化火焰合成方法,实现了一步连续合成Re:Y_(2)O_(3)(Re=Ce,Nd,Yb,La)纳米颗粒,并对合成的纳米颗粒形... 详细信息

稀土元素掺杂的钇基纳米颗粒在荧光发光、激光晶体和透明陶瓷等领域具有广阔的应用前景。本文针对Ce,Nd,Yb和La四种稀土元素,采用旋流雾化火焰合成方法,实现了一步连续合成Re:Y_(2)O_(3)(Re=Ce,Nd,Yb,La)纳米颗粒,并对合成的纳米颗粒形貌结构及光电性能进行了探究。结果表明所合成的纳米颗粒粒径均匀分布(约10 nm),结晶度良好,呈立方相。掺杂引起的晶胞畸变程度与掺杂元素的离子半径成正相关。不同稀土掺杂元素均导致材料的相对介电常数和介电损失增高。在200~2000 nm波长范围内,1%Yb元素掺杂带来的光谱吸收比增高最多,增高至22.83%。5%La元素掺杂带来的光谱吸收比增高最低,为14.92%。此外,5%La掺杂使得禁带宽度下降至4.53 e V,导致其在紫外区间内的光学吸收大幅增加。

关键词：火焰合成稀土掺杂氧化钇纳米颗粒光电性能