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本学位论文依托国家自然科学基金及863项目等科研任务，对中低温太阳能热化学制氢与工程热物理某些问题的解析解进行了深入研究。
太阳能以其储量的无限性、开发利用的清洁性成为21世纪解决开发利用化石能源带来的能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径之一。太阳能热化学技术可以解决太阳能间歇性、分布不均、能流密度低的固有缺陷，实现了太阳能的存储。目前太阳能热化学研究多集中中高温太阳能领域，集热效率低、投资成本高、太阳跟踪困难等一系列科学技术难题亟待解决。基于能的品位角度出发，原创性合作提出了中低温太阳能热化学制氢的新方法，并以此为核心，开展以下研究：
(一)研制了5 kW太阳能集热与热化学转化一体化制氢实验平台。实验平台实现了自动控制与实验数据的自动采集。实验研究了太阳能甲醇重整反应特性，系统探讨了太阳辐照强度、水碳摩尔比对甲醇转化率与制氢量的关联关系。在一定太阳辐照强度下，对应反应温度约为250℃时，甲醇转化率超过90％，每摩尔甲醇制氢量可达2.90 mol，接近于理想情况下的3.0 mol，反应产物氢气浓度可达66％～74％。并建立了化学反应速率与太阳能特征参数的实验关联式，揭示了化学反应与太阳能之间的内在联系。
(二)从燃料化学(火用)与太阳能热(火用)品位互补的新理念出发，基于热力学第一、第二定律，建立太阳能集热与燃料化学能互补的能的品位本征关联式。实验验证并揭示了太阳热能品位提升与燃料化学能品位降低之间的关联机理。揭示了太阳能与替代液体燃料热化学互补的能量释放过程的本质规律。为中低温太阳能热化学发电或联产系统的发展提供理论和实验支持。
(三)以5 kW吸收/反应器为基础，进行了太阳能峰值功率为5 MW规模的甲醇重整制氢系统技术经济分析。研究结果表明：太阳能甲醇重整制氢成本为19.7$/GJLHV，相对最广泛、经济的传统甲烷制氢方式(12.8$/GJLHV)约高50％。甲醇原料价格对制氢成本起着举足轻重的作用。综合考虑经济、环境以及装置规模化等因素，本文的制氢技术路线提供了一条高效利用中低温太阳能与低成本制氢结合的新途径。
解析解有其不可代替的理论价值。流动与传热的各种基本方程的解析解，历史上对学科的发展曾起过非常关键的作用。由于它们严格表达了该方程在某一特定条件下的详尽准确情况，解析解还可以用来检查各种数值计算方法的准确度、收敛度与有效度，以及作为研究不同数值解法的基础，启发如何改进其差分格式、网格生成等。所以，即使对近年来迅速发展的计算流体力学与计算传热学，解析解也是非常有用的。而代数显式解析解尤其适合用于理论研究与作为数值计算的标准解。尽管如此，由于解析求解工程热物理问题的偏微分方程在数学上较为困难，国际上的公开文献中仅有少量有关的代数显式解析解报道。结合本研究集体求解高度复杂的非线性耦合的数理偏微分控制方程的经验，创新性应用加法分离变量法与常规分离变量法结合的混合分离变量法，研究自然对流问题、热声问题、场不协同问题等。主要研究如下：
(一)针对多孔介质中同时存在温度与浓度梯度时引起双浮力自然对流控制方程，采用混合分离变量法等，得到多组代数显式解析解，并发现它们在具有相同的流场(速度场与压力场)下会有不同的温度与浓度场。并给出一些简单情况下的示意图以说明所得的解析解。
(二)对正在发展的交叉科学热声学中比较简单的情况—一维非定常完全气体热声流，求解非定常几何一维的数理主控方程组，得到简明的代数显式解析解，可以作为标准解来促进热声学科的发展。
(三)过增元院士与陶文铨院士等提出了场协同原理，其核心内容是最有效的对流发生在流体运动方向垂直于等温线或者等温面。场协同原则可以得到最佳的对流换热状况，对于完全相反的情况，场不协同即最恶劣的对流换热状况，在质量守恒方程、动量方程、能量方程基础上，提出场不协同方程。对于二维稳态不可压层流流动，采用混合变量法等方法，得到多组包括具有热源的、物质源的及两者都无的多组代数显式解析解，其中部分解进行了深入的讨论并给出物理意义。轴对称状态下的场协同解析解，也进行了初步的工作。以进一步发展场协同原理(场不协同原理)，并启发利用该原理提高换热器性能的实用方法。