2012 年9 月，中国科学院数理学部组织召开科学与技术前沿论坛——“能源开发利用中的若干力学前沿问题”专题。围绕这一“能源力学”主题, 部分与会专家分别在非常规化石能源、核能、风能和水电开发利用中的前沿科学问题等方面，撰写了7 篇综述性文章，发表于近期出版的《中国科学: 物理 学力学 天文学》2013年第12期，全部文章附后或见刊物主页：

   http://phys.scichina.com:8083/sciG/CN/volumn/home.shtml

     能源, 包括化石能源、核能和可再生能源等是人类从事生产活动和日常生活所需动力和热能的来源, 能源的开发、生产、转换、输送、利用的全过程构成能源工程和能源产业, 它是国民经济的支柱. 改革开放以来, 我国能源生产增长迅速. 根据国家统计局数据, 2011年的年产量原煤35.3亿吨, 原油2.03亿吨, 天然气1026亿方, 发电总量4.7万亿度. 随着城镇化的进程和生活水平的提高, 对能源总量需求还会增加. 鉴于我国能源仍以煤炭为主, 能源人均储量并不丰富, 各种能源形式都有不足之处, 如：环境污染、破坏生态、效率安全、并网发电等等. 因此, 必须依靠科技, 实现未来能源适度稳增、综合发展、优化结构和兴利除弊的目标.

   力学在传统能源开发、利用中发挥了重要作用. 以三次采油为例, 根据渗流理论, 通过注碱-表面活性剂-聚合物的混合驱技术(ASP)改变表面张力系数和黏度, 增强驱替能力, 扩大波及系数, 实现提高采收率(EOR), 使油田维持高产稳产; 在煤电锅炉中, 采用循环流化床等技术, 具有燃料适应性强, 燃烧效率高, 污染物排放低等优点; 在裂变堆核电工程中, 一方面要通过热流体力学提高能源利用效率, 同时, 安全可靠的结构设计是避免核电事故的关键; 在水力发电中, 除了高坝、船闸、地下厂房建设, 大功率水轮机组的设计要解决高速水动力学的空蚀问题. 另一方面, 力学研究已经扩展到非常规化石能源开采、风能利用、核电快堆、加速器驱动次临界系统和聚变工程实验堆研发等方面, 学科交叉的前沿问题不断涌现. 为了推动学科发展、解决关键技术问题, 中国科学院数理学部于2012年9月21–22日组织了“能源开发利用中的若干力学前沿问题”科学与技术前沿论坛, 该领域40余名专家参会, 分核电、水电、风能和非常规化石能源四个单元, 对16个主题进行了报告, 并开展了广泛的学术讨论.

   本专辑是参加论坛的部分专家根据能源论坛上的报告撰写的7篇综述论文, 涉及非常规化石能源、核能、风能和水电开发利用中的前沿科学问题. 非常规化石能源的两篇论文综述了页岩气和煤层气等在低孔隙致密岩层中渗流理论的研究进展, 如: 页岩储层中有纳米级有机粒内孔隙、纳米-微米级非有机粒间孔隙以及发育丰富的微米级-毫米级天然裂缝, 煤层气储层孔隙由基质、割离和裂隙组成, 气液两相共存, 伴随吸附和解吸现象, 因此, 含多尺度现象、多物理过程的多相渗流是它们的共同特征. 此外, 论文还讨论了为提高采收率的水平井分段压裂和排水降压技术的设计和模拟. 在有关聚变堆的两篇论文中, 综述了在托克马克装置的若干重要部件研发中的前沿力学问题: 一个是与ITER超导磁体的CICC导体制备有关的的多场耦合的磁固体力学和多相非均匀复合材料问题, 这是该导体能够在低温下承受强磁场、强电流、强载荷, 具有低损耗、不失超、长寿命特性的关键; 另外还有与具有高热流输运能力, 高功率密度承载力、无中子辐照损伤、无寿命限制、易于循环更新的液态锂第一壁和具有较强复杂几何构型适应性、较高氚增值能力的液态锂铅包层相关的液态金属磁流体力学问题. 如: MHD效应下锂与中子反应的传热传质及氚渗透; MHD多相流; 等离子体与液态金属相互作用; MHD湍流及不稳定性的实验及理论研究; 金属流体高精度计算与测试方法. 有关风能利用的两篇论文, 一篇是论述风力机叶片多目标优化的方法, 并以NH1500为例. 采用修正的动量矩叶素理论, 克服了多峰困难, 实现了给定风场和约束条件下, 年输出功率最大, 或给定结构形式叶片质量最小等目标. 同时综述了风力机未来发展对空气动力学的挑战, 包括动态失速、尾涡干扰、风电场设计等问题; 在海上风能方面, 由于外海风力资源丰富、稳定, 这是有潜力的发展方向, 支撑结构将从固定式向漂浮式发展, 论文对海洋环境、流体动力载荷、风力机-支撑结构-基础流固土耦合响应, 浮式结构概念设计等进行了综述. 最后一篇论文有关水电开发中的岩土力学问题, 提出了地质体力学的新观点, 给出了地质体从既有破坏、局部破坏、贯穿破坏再到碎裂性破坏的渐进过程和破裂度、应变强度分布函数等的定量描述方法. 对地质体稳定性、安全性分析方法的评价标准进行分析, 提出地质体的非连续、非均匀两尺度力学模型和计算框架, 综述了地质体孔隙裂隙渗流及与破裂场耦合的计算模型, 结合汶川地震揭示了次生地质灾害现象.

   总之, 力学在能源工程领域的研究不断深化, 应用范围不断扩展, 学术界认为, 能源力学的学科分支已经崭露头角. 我们希望本专辑论文的发表成为未来能源力学逐步从雏形走向成熟, 并发展成为一门新兴交叉学科的开篇之作.

   李家春              

 中国科学院力学研究所        

                                论坛主席              

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