传热学的最新研究动态

1、传热学的最新研究动态   传热是最普遍的一种自然现象。几乎所有的工程领域都会遇到一些在特定条件下的传热问题，包括有传质同时发生的复杂传热问题。现代科学技术突飞猛进，传热学的工程应用研究也已跨越传统的能源动力，工艺过程节能的范畴，在材料的制备和加工、航天技术的发展、信息器件的温控、生物技术、医学、环境净化与生态维护、以及农业工程化、军备现代化等不同领域都有所牵涉。特别是高技术的迅猛发展，正面临着温度场、速度场、浓度场、电磁场、光场、声场、化学势场等各种场相互耦合下的热量传递过程和温度控制，从而使传热学迅速发展为当今技术科学中了解各种热物理现象和创新相应技术的重要基础学科。现就

2、以下几个方面的传热学最新研究动态作简要的介绍。一、 生物医学传热  生命体具有生命自律的“活力”，是一个开放系统，离不开同赖以生存的环境进行物质能量的交换，而且这种特殊体中不仅有生理因素，还有各种感觉器官造成心理上随机性的动态反应，这些都与中医理论体系相关，由此决定了活体运输过程本质的非定常性。对于这些有生命的生物体中的能量与物质的传输，国际上应运而生了一门新兴的交叉学科“生物传热学”。 生物传热学研究的是生物体内传热传质规律.其研究内容涉及对人体器官，系统正常和异常热生理过程的解释和阐明，并应用复杂而精确的数学模型对其进行描述。它是生物、医学与传热学等学科的交叉

3、，是正在蓬勃发展中的学科。其研究内容涉及到从细胞、亚细胞层次到组织、器官直至整个生物个体内的热质传输现象。其主要方向包括：对各种生命层次上热参数的测量并建立相应的测试仪器；对在传热、传质过程中具有重要意义的物性参数的测定；对人体器官、系统的正常和异常热生理过程的解释和阐明，并应用复杂而精确的数学模型对其进行描述；对各种热物理因子作用于人体及各种生物材料时产生的热学效应的研究；热物理学应用于医疗实践等。它已成为横跨诸多领域的最新的学科生长点之一，是当今学术界竞相关注的前沿。 半个世纪以来生物医学传热学的研究经历几个大的飞跃，它们集中体现在新的生物热现象的发现、物性测试方法的突破、新模型

4、的建立以及医学热科学应用领域的拓宽等四个方面，然而由于问题研究的复杂性，许多工作远未完善，但就热物性测试而言，迄今为止，还没有任何一种方法能够同时测定热物性参数如热导率K、热扩散率、血液灌注率Wb和代谢热产率qm，更不用说测定时考虑这些物性系数随空间的变化了。无创检测更难，而且许多情况下这些参数还受温度场（当地温度值、温度变化率等）的影响，要反映这些物性的温度、空间依赖特性，必须在传统方法之外寻求新途径。在生物医学应用方面，应发展常热物性与变热物性情况下的无损的温度预示技术，尤其要发展在未知全部热物性的情况下，只需测量体表温度就能同时重构生物体一维、二维乃至三维温度场和物性长的无创技术，并力求

5、实时预测瞬变过程。此外，在实验中发现的许多物热现象的物理本质尚待深入揭示；临床热科学的应用领域应进一步拓宽；应进一步开展在理论指导下开发新型热医（理）疗器械的工作。二、 微细尺度传热学  近年来，随着信息工业、生命科学与技术、航天技术、能源工程、材料工业及现代毫微米制造技术、高集成度微电子器件、高功率短脉冲激光技术、微加工技术和微电子机械系统在工程上的应用，人工合成高精尖新材料、超导技术等都有惊人的进展。如超大规模集成电路的热设计和热控制，航天器内生命保障系统的传热过程，生命过程中的热现象，微结构内的流动传热传质，微尺度下物质的热物性及其测量以及工质临界状态下的分子聚合等，

6、由于它们的特征尺度与载热体（分子、电子、声子、光子）等的平均自由程处于同一量级甚至更低，导热的Fourier定律、流动的N-S方程已不在适用，微结构表面的辐射性质也出现奇特的变化，已经不能有效地用传统的传热传质理论及传统的实验方法加以解决，导致了热现象由宏观研究到微观研究的历史性转变，促使微尺度传热学这一学科的出现和形成。微尺度传热学致力于尺度微形化极限情况的传热学规律研究：一个是空间尺度极限，其研究的几何尺度可以到微米或微毫米级；再一个是时间尺度极限，即在微妙以至微毫秒内瞬时传热规律的研究。  早期的微细尺度传热学研究主要集中在微细尺度导热问题上，之后则扩展到微细尺度热辐

7、射、微细尺度对流换热和微细尺度相变传热问题的研究。20世纪60年代后期，热物理学家开始注意到工程器件中的一系列传热问题存在尺度效应，发现微尺度下导热率依赖于材料的厚度。到了80年代后期，随着新型工程实际应用的日新月异，出现了许多传统传热学难以解决甚至完全矛盾的问题。正是这些理论与实验观察上的矛盾促成了微尺度传热学的发展，目前已经覆盖了范围广阔的多个领域，如固液薄膜、半导体器件、生物芯片、光学器件、芯片冷却装置、微电子机械系统、生物芯片、微传感器、激光加工、热医学工程等，蕴涵了许多极具挑战性的课题。  从20世纪80年代开始，美国即进行了微细尺度传热学的探索性研究，并很快得到

8、了学术界和企业界的广泛重视和支持。进入了20世纪90年代后，有关微传热研究的论文发表数量明显上升。1993年7月在日本召开的“分子与微尺度传输现象”日美联合研讨会上，众多学者都认为，20世纪最后10年可能会是微米和毫微米尺度热传输现象取得突破性进展的关键时刻，而这一突破将对21世纪初高新技术的发展起到极大的推动作用。日本的微传热研究重点是应用，其微型热管的产生已形成规模。  在我国，自1992年以来，围绕着微细尺度传热学的研究，国家自然科学基金和其他各类基金先后资助了多孔介质流动、微型槽道内的传热、微型热管、微型毛细泵环、微重力下的流动传热、高集成电子设备高热流强度散热技术

9、、微电子机械系统内部的流动和传热等多项研究。在对外协作和国际交流方面，从20世纪90年代至今，我国学者先后与美国、英国、法国和德国等国家的不少大学和研究机构联系并进行了不少的富有成效的合作，取得了突破性进展。到目前为止，我国学者通过对不同领域涉及到的微细尺度传热学问题从机理研究、试验研究和数值模拟等三个方面进行了探索和研究，已经取得了许多富有重大理论价值的研究成果。宜益民等通过在液体中添加纳米级金属或金属氧化物粒子获得了纳米流体，并对纳米流体的悬浮稳定性和均匀性进行了研究，发现悬浮液具有较高的分散性、稳定性。给出了纳米流体导热系数的理论分析方法，并运用瞬态热线方法测定了不同种类、不同体积份额配

10、比的纳米流体的导热系数，分析了纳米粒子属性、份额、形状和尺度等因素对纳米流体导热系数的影响。蒋培学等对微尺度换热产生的背景、研究现状及存在的问题进行了综述，对在微小槽道内流体的流动和传热与常规尺度下的差异的原因和机理进行了分析，发现有些用气体所做的实验研究很有可能使处于有速度滑移和温度跳跃的滑流区。速度滑移和温度跳跃致使阻力系数减小、传热减弱。三、 现代电子器件冷却方法 随着微电子技术的迅速发展，电子器件的微型化已经成为现代电子设备发展的主流趋势。电子器件特征尺寸不断减小(例如，微处理器的特征尺寸在1990年到2000年内从0.35减小到0.18)，芯片的集成度、封装密度以及工作频率

11、不断提高，这些都使芯片的热流密度迅速升高。芯片热流密度的不断升高则对电子器件热可靠性设计提出了更高的要求。能够解决电子器件过热问题的热设计早已引起国内外研究单位的高度重视，并且得到了很大的发展。  经过近年来的研究，已研究出比较成熟的冷却方式，如自然冷却技术、强迫空气冷却技术、液体冷却技术、相变冷却技术、其他冷却技术(如热管，冷板等)。  随着超大规模集成电路的发展，计算机芯片的功耗已经到了160W，热流密度已经到了100 W/cm2。可见研制高效的冷却系统，满足高密度组装的结构形式，以获取更大的冷却能力，也越来越迫在眉睫。  液冷成

12、为仅次于风冷的应用广泛的冷却系统。现在许多微机，包括笔记本电脑都已采用水冷方式散热；日立5800系列为水冷；CRAY T3E 128个处理器以下为风冷，2562176个处理器机器为水冷。直接液体喷射冷却，既可以最大限度地减少热阻，同时也可以提高强迫对流传热系数。IBM公司液体喷射冷却数据表明能够支持100W/cm2以上芯片的耗热密度。IBM公司的SS-1、Cray公司的SV2等就是采用直接液体喷射冷却芯片的。  低温冷却技术（直接或间接相变冷却），为计算机冷却开辟了一个新领域，是在特定条件下提高机器性能的有效手段。专门研究此类冷却系统的Cryotech公司，利用绝缘流体的沸

13、腾冷却正处与开发、应用阶段。由于沸腾冷却可提供很低的热阻和高的热流密度，国外不少大公司和研究机构，正在大力从事这方面的研究（如IBM、Fujitsu、Hitachi、NCR等公司以及Minnesota、Purdue、Auburm、Michigan等大学中的研究机构）。国内如清华大学、北京工业大学等，也进行了相关的研究。在IBM内部及由其资助的大学相变冷却的研究主要集中在防止或控制池沸热滞，扩大池沸热流密度，提高强制对流、向下流动的液膜热传送、液流沸腾、液流冲击。  其次，如何研制一些新型的冷却剂，使其更好地满足电子器件浸渍冷却的要求，已经提到了议事日程上。冷却剂（介质）是一

14、种载热介质，它的基本要求是：具有较高的传热性能、较高的绝缘强度和良好的兼容性。在目前使用的冷却剂中要想完全满足上述的基本要求，还是比较困难的。例如，最普通的水，虽然它的传热能力高，但其绝缘性差，与电子器件的相容性也不好；而目前浸渍冷却用的冷却剂FC-77，主要是考虑该冷却剂有较高的绝缘强度和良好的化学兼容性，然而导热能力仅为水的十分之一。四、 多相流的传热传质  多相流热物理学科的发展对我国能源与动力工业、石油化学工业、高科技等乃至整个国民经济的发展起着极为重要的作用，如在核反应堆工程中汽轮机湿蒸汽两相流问题，尤其是反应堆的失水事故中的流动及传热；在油田开采和稠油注汽开采等

15、过程中，存在着许多气、水、油三相流混输与分离问题；在炼油、化工、制冷等系统中，存在着大量两相流传热强化的课题；近年来正在发展流化床燃烧技术，煤的流化过程及硫化方式的研究均是气固两相流的重大课题等等，显然对多相流热物理问题的深入研究必将大大推动我国科学技术的进步及经济建设的发展。  由于多相流动及其传质过程的复杂性，多相流热物理现在仍是一门试验性很强的学科，目前研究水平大致是对大多数工程问题可以通过试验研究得到认识和解决，对一些具体问题在理论上有了比较清楚的了解，数值计算的模拟得到了较大的发展。但由于多相流热物理学科的形成和发展是建立在许多不同的传统行业及高新技术发展需要的基

16、础上的，又各有其解决多相流问题的独特的不同方法，问题过分广泛和复杂，至今仍未能将解决多相流问题的方法、技术或理论统一起来，更未形成以严格的数学理论为基础，推导和构造出具有严密内在联系与不同适用范围的完整科学体系。总体来说，研究的新动向是：建立统一的理论和应用技术体系方法已是当前多相流学术界的共识，也是学科向纵深发展和相关工业技术进步的迫切要求。由于多相流问题最显著的共性是存在相间界面和内部的紊流流动特性，研究相界面的生成、运动、变化以及两相流紊流结构等非线形理论及其数学模化、数值计算与测试技术是当前乃至近几十年的主要任务和方向之一。  随着新兴工业及高新技术的迅猛进展，研究

17、存在磁场、电场、离心力场、高速运动体内、生物体内、微重力或失重等非常规环境及超高热负荷、超高能密度、微型通道等条件下的两相及多相流动与传热理论，以及研究常规条件下复杂几何通道、复杂多组分多相流动与传热传质理论和技术已成为多相流热物理科学研究的另一热门领域或方向。  就传统工业范围而言，对许多机理问题在试验和理论研究方面需进一步深入，适用范围宽、精度高、便于实用的多相流测试技术还有待进一步开发，数值计算方法尚不够成熟。五、 多孔介质传热传质的研究  多孔介质是指内部含有许多空隙的固体材料。这些空隙大多数是相互连通的，在这些空隙中可以充有液体或气体或气液两相

18、。从总体上来看，多孔介质是多相介质共存的一种组合系统。若从任一相来看，其它相就弥散在其中，故又称多孔介质为弥散介质。另外，由于空隙的联通性，可使处于多孔介质一端的流体，经空隙渗流到多孔介质的另一端，故又称为渗透性介质。  在许多工程技术应用领域，都要涉及这种带有众多空隙的固体中的热量传递问题，例如土壤和某些建筑材料中的传热问题，它涉及到水文、地质、石油勘探与开采、地热利用、建筑等工程技术问题；在化工生产中也常常温到多孔介质巾的传热传质问题；近代多孔结构已应用于强化沸腾换热、热管、火箭壁面、核反应堆蕊及高温电子器件的冷却或绝热；还须指出的是，它还涉及到生物、食品、医疗等领域。

19、因此，多孔介质中的热量传递过程，无论在过去还是现代，都是引人注目的研究课题。  对多孔介质传递现象的研究最早始于1856年法国人Darcy对Dijon城地下水水源的研究，提出了著名的适用于一定条件下多孔介质流体流动的Darcy定律。但在此后的相当长时期内，一直停留在土壤与岩层中水流动这一类单纯可测得问题上。直到上世纪30年代后逐渐形成了多孔介质流体力学之一学科分支。同时，上世纪50年代左右，JMIKOB等人对多孔介质的干燥原理与技术进行了较为全面、系统、深入的研究，使人们对多孔介质传递过程的认识到达了一个新的高度。随着现代科学技术的发展，不断提出大量更为复杂的多孔介质传递问题，从而进一步促进了多孔介质传递科学的研究，成为当今世界科学技术发展中令人瞩目的热点。从历史发展角度加以分析，多孔介质传递学科存在如下特点：（1） 众多学科交叉性质，涉及诸如渗流原理、毛细流理论、流体力学理论、扩散理论、相变机理和热力学原理等众多机理，求解过程还与数理方程、数值方法等数学科学紧密相联。（2）