方向一： 复杂相互作用下颗粒湍流输运理论
微纳米颗粒湍流输运过程广泛存在于自然界及能源、环境、化工与航天等领域。在能源动力领域，颗粒湍流输运通常与液滴蒸发、化学反应、多相传热以及多场团聚等过程耦合，带来了复杂而有趣的物理现象。深刻认识微纳米颗粒湍流团聚及破碎规律将为多场团聚、炉内吸附等PM控制技术的发展提供理论基础。过去数十年关于颗粒湍流输运理论未深入研究微纳米颗粒间固有的静电、流体与粘附性接触等复杂相互作用的影响，能准确预测复杂相互作用下颗粒在湍流场内的迁移、沉积、团聚与破碎的理论模型鲜见报道。本课题基于多尺度颗粒离散动力学方法，探究复杂相互作用下颗粒在湍流场内输运规律，研究内容包括：
（1） 颗粒间静电、流体动力学与粘附性接触相互作用的准确测量与建模；
（2） 探究复杂相互作用下，颗粒在湍流场内的迁移、沉积、团聚与破碎规律；
（3） 利用流动控制、电磁场、声场及温度场等手段，实现颗粒输运行为的主动调控；
相关研究成果如下：
Pinzhuo Chen, Sheng Chen*, Mengmeng Yang, Shuiqing Li. Falling clouds of particles with finite inertia in viscous flows. Physics of Fluids 2021, 33, 033314.
Xuan Ruan, Sheng Chen, Shuiqing Li*. Effect of long-range Coulomb repulsion on adhesive particle agglomeration in homogeneous isotropic turbulence. Journal of Fluid Mechanics 2021, 915, A131.
Sheng Chen*, Shuiqing Li. Collision-induced breakage of agglomerates in homogenous isotropic turbulence laden with adhesive particles. Journal of Fluid Mechanics 2020, 902, A28.
Sheng Chen, Shuiqing Li*, Jeffrey. S. Marshall. Exponential scaling in early-stage agglomeration of adhesive particles in turbulence. Physical Review Fluids, 2019, 4 (2): 024304.
Sheng Chen, Wenwei Liu, and Shuiqing. Li*, A fast adhesive discrete element method for random packings of fine particles, Chemical Engineering Science, 2019, 193 (16), 336-345.
Sheng Chen, Wenwei Liu, and Shuiqing Li*. Scaling laws for migrating cloud of low-Reynolds-number particles with Coulomb repulsion. Journal of Fluid Mechanics, 2018，835, 880-897.
方向二： 基于固体颗粒的太阳能光热技术
太阳能由于其资源丰富、可再生、清洁等优点，具有化石能源或其他可再生能源无法比拟的优势，开发高效可行的太阳能光热利用技术是实现碳中和目标的重要途径。基于固体颗粒的太阳能光热利用技术使用成本低廉的固体颗粒作为吸热与储热介质，其性质稳定，可在高达1000℃条件下稳定工作，并通过集热、储热与换热模块的耦合解决太阳能固有的间歇性问题。作为新一代太阳能光热利用技术路线之一，高效、可控及可靠的固体颗粒吸热器与换热器的设计研究还未成熟，亟需开展颗粒流动状态对系统性能的影响机制的研究。本课题基于多尺度数值模拟和实验方法，探究基于固体颗粒的新一代太阳能光热技术，研究内容包括：
（1） 高温气固流动特性研究，构建高温颗粒受力模型与传热模型，特别关注集热器与换热器内颗粒聚集效应与壁面效应研究；
（2） 固体颗粒集热器、换热器等关键部件大尺度数值模拟研究及优化策略；
（3） 基于固体颗粒的太阳能集热与储热系统原理样机设计与优化；
相关研究成果如下：
Wenchao Fang, Sheng Chen*, Jingying Xu, Kuo Zeng. Predicting heat transfer coefficient of a shell-and-plate, moving packed-bed particle-to-sCO2 heat exchanger for concentrating solar power. Energy 2021, 217,119389.
方向三： 燃烧过程颗粒物生成规律及控制技术
大气颗粒物是我国城市空气的首要污染物，对环境（空气质量、能见度、温度和降水酸碱度等）产生了严重的影响，同时对人体呼吸系统、心血管系统和神经系统等造成了广泛的损害。燃料的燃烧是大气中颗粒物的主要来源之一，开展燃烧过程中颗粒物的生成规律及控制技术研究，将为我国燃烧颗粒物的深度治理提供理论和技术基础。燃烧过程颗粒物生成机制复杂，形成途径包括：矿物的气化-凝结、颗粒的破碎、团聚、细小颗粒的转化等等；颗粒理化特性与燃烧过程温度场、速度场和浓度场息息相关的。过去数十年关于燃烧颗粒物的相关研究依赖于燃烧设备尾部烟气中颗粒粒径分布与化学成分的实验测量，能够准确预测不同燃烧条件下颗粒物生成的机理模型十分缺乏。此外，燃烧烟气中的颗粒物会引起SCR、空预器等设备的堵塞现象，影响设备的正常运行；而在布袋除尘过程中，纤维孔隙的堵塞则有利于除尘效率的提高。微米颗粒堵塞机理与控制手段研究缺乏。本课题采用理论建模结合燃烧机理实验，开展以下研究：
（1） 生成模型：构建多尺度多场作用下涉及成核、生长、团聚、破碎等现象的颗粒物生成模型；
（2） 定向调控：探究典型添加剂与颗粒物前驱体理化作用，建模预测细颗粒定向调控规律；
（3）尾部强化脱除：颗粒物在污染物控制设备中的运动规律，细颗粒静电增强过滤技术；
相关研究成果如下：
Sheng Chen, Wenwei Liu, and Shuiqing Li. Effect of long-range electrostatic repulsion on pore clogging during microfiltration. Physical Review E, 2016, 94(6),063108.
Sheng Chen, Shuiqing Li*, Wenwei Liu, and Hernan Makse, Effect of long-range repulsive Coulomb interactions on packing structure of adhesive particles. Soft Matter, 2016, 12(6),1836-1846.