采取联合培养、学期交换、短期访学、实验室实习、社会实践、参加学术会议等多种形式，使学生得到“浸入式”的国际化培养，增强全球胜任力。
本系学生在学期间出国（境）概率超过全校平均水平，每年招收国际学生10名。
特色项目
➢清华—亚琛双硕士学位项目
1+1模式，入选项目的学生分别在清华和德国亚琛工业大学各学习一年，修满相应学分，完成论文要求，即可获得两校的硕士学位。
➢清华—普林斯顿燃烧学暑期学校
每年举办一期，面向全球大学师生和科技人员招生，每期300余人，邀请国际一流大学师资授课，全英文教学。
➢“清华—巴黎综合理工能源动力科技与管理”本硕贯通联合培养项目
面向在读本科生招生，“3+2”模式，可取得清华大学本科和法国巴黎综合理工大学的硕士学位。
合作院校
我系合作院校包括不限于：
哈佛大学 / 斯坦福大学 / 麻省理工学院
哥伦比亚大学 / 加州大学伯克利分校
芝加哥大学 / 普林斯顿大学 / 康奈尔大学 耶鲁大学
剑桥大学 / 牛津大学 / 帝国理工大学 / 伦敦大学学院 / 曼彻斯特大学
谢菲尔德大学 / 诺丁汉大学
亚琛工业大学 / 慕尼黑大学 / 柏林大学
莫斯科国立鲍曼技术大学 / 莫斯科动力学院
东京大学 / 京都大学 / 东北大学 / 早稻田大学
务实合作
先后与BP、三菱重工、东芝、哈利法大学、阿尔伯特大学等建立了一批国际合作研究机构，承担了欧盟FP5、FP6、FP7和H2020等大科学研究计划中国际合作项目，与西门子、三菱、BP、IHI、力拓、大金、东芝等国际知名企业开展了高水平的科研合作。
近年来，与国外学者联合发表论文年均近40篇。
国际交流
近年来，聘请名誉学衔教授10位，年均邀请国际学者专家来访约60人次、举办学术报告会约50场、师生出国出境300余人次。
国际会议
自1985年至今，发起并连续主办了10届“北京国际传热会议”；
自1987年至今，发起并连续主办了10届“国际煤燃烧会议”；
自1996年开始，发起并连续主办了13届“中韩清洁能源会议”；
自2018年至今，发起并连续主办了5届“国际循环流化床发展会议”；
2010年，成功举办第33届国际燃烧大会（首次在中国召开）；
2013年，成功举办第6届“水泵和风机国际学术会议”；
2018年，成功举办第16届国际传热大会（首次在中国召开）；
2019年，成功举办第8届国际激光诱导击穿光谱科学技术研讨会；
2020年，成功举办第二届亚洲水力机械国际研讨会；
2023年，成功举办国际碳捕集科学与技术大会、第五届国际循环流化床技术发展会议、第四届国际水利与环境工程学会水力机械及系统亚洲分会学术研讨会；
2024年，成功举办第十届北京国际传热会议、第十届国际煤燃烧会议、第十四届国际流化床技术会议；
共计举办国际会议40+个，基本每年举办1-4个国际会议。
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