傳熱學(xué)發(fā)展動態(tài)

1、傳熱學(xué)的最新研究動態(tài)傳熱是最普遍的一種自然現(xiàn)象。幾乎所有的工程領(lǐng)域都會遇到一些在特定條件下的傳熱問題包括有傳質(zhì)同時發(fā)生的復(fù)雜傳熱問題。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，傳熱學(xué)的工程應(yīng)用研究也已跨越傳統(tǒng)的能源動力，工藝過程節(jié)能的范疇，在材料的制備和加工、航天技術(shù)的發(fā)展、信息器件的溫控、生物技術(shù)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境凈化與生態(tài)維護(hù)、以及農(nóng)業(yè)工程化、軍備現(xiàn)代化等不同領(lǐng)域都有所牽涉。特別是高技術(shù)的迅猛發(fā)展，正面臨著溫度場、速度場、濃度場、電磁場、光場、聲場、化學(xué)勢場等各種場相互耦合下的熱量傳遞過程和溫度控制，從而使傳熱學(xué)迅速發(fā)展為當(dāng)今技術(shù)科學(xué)中了解各種熱物理現(xiàn)象和創(chuàng)新相應(yīng)技術(shù)的重要基礎(chǔ)學(xué)科?，F(xiàn)就以下幾個方面的傳熱學(xué)最新研究

2、動態(tài)作簡要的介紹。一、生物醫(yī)學(xué)傳熱生命體具有生命自律的“活力”，是一個開放系統(tǒng)，離不開同賴以生存的環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)能量的交換，而且這種特殊體中不僅有生理因素，還有各種感覺器官造成心理上隨機(jī)性的動態(tài)反應(yīng)，這些都與中醫(yī)理論體系相關(guān)，由此決定了活體運(yùn)輸過程本質(zhì)的非定常性。對于這些有生命的生物體中的能量與物質(zhì)的傳輸，國際上應(yīng)運(yùn)而生了一門新興的交叉學(xué)科“生物傳熱學(xué)”。生物傳熱學(xué)研究的是生物體內(nèi)傳熱傳質(zhì)規(guī)律.其研究內(nèi)容涉及對人體器官，系統(tǒng)正常和異常熱生理過程的解釋和闡明，并應(yīng)用復(fù)雜而精確的數(shù)學(xué)模型對其進(jìn)行描述。它是生物、醫(yī)學(xué)與傳熱學(xué)等學(xué)科的交叉，是正在蓬勃發(fā)展中的學(xué)科。其研究內(nèi)容涉及到從細(xì)胞、亞細(xì)胞層次到組織

3、、器官直至整個生物個體內(nèi)的熱質(zhì)傳輸現(xiàn)象。其主要方向包括：對各種生命層次上熱參數(shù)的測量并建立相應(yīng)的測試儀器；對在傳熱、傳質(zhì)過程中具有重要意義的物性參數(shù)的測定；對人體器官、系統(tǒng)的正常和異常熱生理過程的解釋和闡明，并應(yīng)用復(fù)雜而精確的數(shù)學(xué)模型對其進(jìn)行描述；對各種熱物理因子作用于人體及各種生物材料時產(chǎn)生的熱學(xué)效應(yīng)的研究；熱物理學(xué)應(yīng)用于醫(yī)療實(shí)踐等。它已成為橫跨諸多領(lǐng)域的最新的學(xué)科生長點(diǎn)之一，是當(dāng)今學(xué)術(shù)界競相關(guān)注的前沿。半個世紀(jì)以來生物醫(yī)學(xué)傳熱學(xué)的研究經(jīng)歷幾個大的飛躍，它們集中體現(xiàn)在新的生物熱現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、物性測試方法的突破、新模型的建立以及醫(yī)學(xué)熱科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬等四個方面，然而由于問題研究的復(fù)雜性，許多工

4、作遠(yuǎn)未完善，但就熱物性測試而言，迄今為止，還沒有任何一種方法能夠同時測定熱物性參數(shù)如熱導(dǎo)率K、熱擴(kuò)散率a、血液灌注率Wb和代謝熱產(chǎn)率qm,更不用說測定時考慮這些物性系數(shù)隨空間的變化了。無創(chuàng)檢測更難，而且許多情況下這些參數(shù)還受溫度場（當(dāng)?shù)販囟戎?、溫度變化率等）的影響，要反映這些物性的溫度、空間依賴特性，必須在傳統(tǒng)方法之外尋求新途徑。在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面，應(yīng)發(fā)展常熱物性與變熱物性情況下的無損的溫度預(yù)示技術(shù)，尤其要發(fā)展在未知全部熱物性的情況下，只需測量體表溫度就能同時重構(gòu)生物體一維、二維乃至三維溫度場和物性長的無創(chuàng)技術(shù)，并力求實(shí)時預(yù)測瞬變過程。此外，在實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)的許多物熱現(xiàn)象的物理本質(zhì)尚待深入揭示；臨

5、床熱科學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)進(jìn)一步拓寬；應(yīng)進(jìn)一步開展在理論指導(dǎo)下開發(fā)新型熱醫(yī)（理）療器械的工作。、微細(xì)尺度傳熱學(xué)近年來，隨著信息工業(yè)、生命科學(xué)與技術(shù)、航天技術(shù)、能源工程、材料工業(yè)及現(xiàn)代毫微米制造技術(shù)、高集成度微電子器件、高功率短脈沖激光技術(shù)、微加工技術(shù)和微電子機(jī)械系統(tǒng)在工程上的應(yīng)用，人工合成高精尖新材料、超導(dǎo)技術(shù)等都有驚人的進(jìn)展。如超大規(guī)模集成電路的熱設(shè)計和熱控制，航天器內(nèi)生命保障系統(tǒng)的傳熱過程，生命過程中的熱現(xiàn)象，微結(jié)構(gòu)內(nèi)的流動傳熱傳質(zhì)，微尺度下物質(zhì)的熱物性及其測量以及工質(zhì)臨界狀態(tài)下的分子聚合等，由于它們的特征尺度與載熱體（分子、電子、聲子、光子）等的平均自由程處于同一量級甚至更低，導(dǎo)熱的Fouri

6、er定律、流動的N-S方程已不在適用，微結(jié)構(gòu)表面的輻射性質(zhì)也出現(xiàn)奇特的變化，已經(jīng)不能有效地用傳統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)理論及傳統(tǒng)的實(shí)驗方法加以解決，導(dǎo)致了熱現(xiàn)象由宏觀研究到微觀研究的歷史性轉(zhuǎn)變，促使微尺度傳熱學(xué)這一學(xué)科的出現(xiàn)和形成。微尺度傳熱學(xué)致力于尺度微形化極限情況的傳熱學(xué)規(guī)律研究：一個是空間尺度極限，其研究的幾何尺度可以到微米或微毫米級；再一個是時間尺度極限，即在微妙以至微毫秒內(nèi)瞬時傳熱規(guī)律的研究。早期的微細(xì)尺度傳熱學(xué)研究主要集中在微細(xì)尺度導(dǎo)熱問題上，之后則擴(kuò)展到微細(xì)尺度熱輻射、微細(xì)尺度對流換熱和微細(xì)尺度相變傳熱問題的研究。20世紀(jì)60年代后期，熱物理學(xué)家開始注意到工程器件中的一系列傳熱問題存在尺度效

7、應(yīng)，發(fā)現(xiàn)微尺度下導(dǎo)熱率依賴于材料的厚度。到了80年代后期，隨著新型工程實(shí)際應(yīng)用的日新月異，出現(xiàn)了許多傳統(tǒng)傳熱學(xué)難以解決甚至完全矛盾的問題。正是這些理論與實(shí)驗觀察上的矛盾促成了微尺度傳熱學(xué)的發(fā)展，目前已經(jīng)覆蓋了范圍廣闊的多個領(lǐng)域，如固液薄膜、半導(dǎo)體器件、生物芯片、光學(xué)器件、芯片冷卻裝置、微電子機(jī)械系統(tǒng)、生物芯片、微傳感器、激光加工、熱醫(yī)學(xué)工程等，蘊(yùn)涵了許多極具挑戰(zhàn)性的課題。從20世紀(jì)80年代開始，美國即進(jìn)行了微細(xì)尺度傳熱學(xué)的探索性研究，并很快得到了學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的廣泛重視和支持。進(jìn)入了20世紀(jì)90年代后，有關(guān)微傳熱研究的論文發(fā)表數(shù)量明顯上升。1993年7月在日本召開的“分子與微尺度傳輸現(xiàn)象”日美

8、聯(lián)合研討會上，眾多學(xué)者都認(rèn)為，20世紀(jì)最后10年可能會是微米和毫微米尺度熱傳輸現(xiàn)象取得突破性進(jìn)展的關(guān)鍵時刻，而這一突破將對21世紀(jì)初高新技術(shù)的發(fā)展起到極大的推動作用。日本的微傳熱研究重點(diǎn)是應(yīng)用，其微型熱管的產(chǎn)生已形成規(guī)模。在我國，自1992年以來，圍繞著微細(xì)尺度傳熱學(xué)的研究，國家自然科學(xué)基金和其他各類基金先后資助了多孔介質(zhì)流動、微型槽道內(nèi)的傳熱、微型熱管、微型毛細(xì)泵環(huán)、微重力下的流動傳熱、高集成電子設(shè)備高熱流強(qiáng)度散熱技術(shù)、微電子機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)部的流動和傳熱等多項研究。在對外協(xié)作和國際交流方面，從20世紀(jì)90年代至今，我國學(xué)者先后與美國、英國、法國和德國等國家的不少大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)聯(lián)系并進(jìn)行了不少的富

9、有成效的合作，取得了突破性進(jìn)展。到目前為止，我國學(xué)者通過對不同領(lǐng)域涉及到的微細(xì)尺度傳熱學(xué)問題從機(jī)理研究、試驗研究和數(shù)值模擬等三個方面進(jìn)行了探索和研究，已經(jīng)取得了許多富有重大理論價值的研究成果。宜益民等通過在液體中添加納米級金屬或金屬氧化物粒子獲得了納米流體，并對納米流體的懸浮穩(wěn)定性和均勻性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)懸浮液具有較高的分散性、穩(wěn)定性。給出了納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的理論分析方法，并運(yùn)用瞬態(tài)熱線方法測定了不同種類、不同體積份額配比的納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)，分析了納米粒子屬性、份額、形狀和尺度等因素對納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的影響。蔣培學(xué)等對微尺度換熱產(chǎn)生的背景、研究現(xiàn)狀及存在的問題進(jìn)行了綜述，對在微小槽道內(nèi)流體的

10、流動和傳熱與常規(guī)尺度下的差異的原因和機(jī)理進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)有些用氣體所做的實(shí)驗研究很有可能使處于有速度滑移和溫度跳躍的滑流區(qū)。速度滑移和溫度跳躍致使阻力系數(shù)減小、傳熱減弱。三、現(xiàn)代電子器件冷卻方法隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子器件的微型化已經(jīng)成為現(xiàn)代電子設(shè)備發(fā)展的主流趨勢。電子器件特征尺寸不斷減?。ɡ?，微處理器的特征尺寸在1990年到2000年內(nèi)從0.35pm減小到0.18m）,芯片的集成度、封裝密度以及工作頻率不斷提高，這些都使芯片的熱流密度迅速升高。芯片熱流密度的不斷升高則對電子器件熱可靠性設(shè)計提出了更高的要求。能夠解決電子器件過熱問題的熱設(shè)計早已引起國內(nèi)外研究單位的高度重視，并且得到了很

11、大的發(fā)展。經(jīng)過近年來的研究，已研究出比較成熟的冷卻方式，如自然冷卻技術(shù)、強(qiáng)迫空氣冷卻技術(shù)、液體冷卻技術(shù)、相變冷卻技術(shù)、其他冷卻技術(shù)（如熱管，冷板等）。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，計算機(jī)芯片的功耗已經(jīng)到了160W,熱流密度已經(jīng)到了100W/cm2。可見研制高效的冷卻系統(tǒng)，滿足高密度組裝的結(jié)構(gòu)形式，以獲取更大的冷卻能力，也越來越迫在眉睫。液冷成為僅次于風(fēng)冷的應(yīng)用廣泛的冷卻系統(tǒng)?，F(xiàn)在許多微機(jī)，包括筆記本電腦都已采用水冷方式散熱；日立5800系列為水冷；CRAYT3E128個處理器以下為風(fēng)冷，2562176個處理器機(jī)器為水冷。直接液體噴射冷卻，既可以最大限度地減少熱阻，同時也可以提高強(qiáng)迫對流傳熱系數(shù)o

12、IBM公司液體噴射冷卻數(shù)據(jù)表明能夠支持100W/cm2以上芯片的耗熱密度°IBM公司的SS-1、Cray公司的SV2等就是采用直接液體噴射冷卻芯片的。低溫冷卻技術(shù)（直接或間接相變冷卻），為計算機(jī)冷卻開辟了一個新領(lǐng)域，是在特定條件下提高機(jī)器性能的有效手段。專門研究此類冷卻系統(tǒng)的Cryotech公司，利用絕緣流體的沸騰冷卻正處與開發(fā)、應(yīng)用階段。由于沸騰冷卻可提供很低的熱阻和高的熱流密度，國外不少大公司和研究機(jī)構(gòu)，正在大力從事這方面的研究（如IBM、Fujitsu、Hitachi、NCR等公司以及Minnesota、Purdue、Auburm、Michigan等大學(xué)中的研究機(jī)構(gòu)）。國內(nèi)如清

13、華大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等，也進(jìn)行了相關(guān)的研究。在IBM內(nèi)部及由其資助的大學(xué)相變冷卻的研究主要集中在防止或控制池沸熱滯，擴(kuò)大池沸熱流密度，提高強(qiáng)制對流、向下流動的液膜熱傳送、液流沸騰、液流沖擊。其次，如何研制一些新型的冷卻劑，使其更好地滿足電子器件浸漬冷卻的要求，已經(jīng)提到了議事日程上。冷卻劑（介質(zhì)）是一種載熱介質(zhì)，它的基本要求是：具有較高的傳熱性能、較高的絕緣強(qiáng)度和良好的兼容性。在目前使用的冷卻劑中要想完全滿足上述的基本要求，還是比較困難的。例如，最普通的水，雖然它的傳熱能力高，但其絕緣性差，與電子器件的相容性也不好；而目前浸漬冷卻用的冷卻劑FC-77，主要是考慮該冷卻劑有較高的絕緣強(qiáng)度和良好的化

14、學(xué)兼容性，然而導(dǎo)熱能力僅為水的十分之一。四、多相流的傳熱傳質(zhì)多相流熱物理學(xué)科的發(fā)展對我國能源與動力工業(yè)、石油化學(xué)工業(yè)、高科技等乃至整個國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著極為重要的作用，如在核反應(yīng)堆工程中汽輪機(jī)濕蒸汽兩相流問題，尤其是反應(yīng)堆的失水事故中的流動及傳熱；在油田開采和稠油注汽開采等過程中，存在著許多氣、水、油三相流混輸與分離問題；在煉油、化工、制冷等系統(tǒng)中，存在著大量兩相流傳熱強(qiáng)化的課題；近年來正在發(fā)展流化床燃燒技術(shù)，煤的流化過程及硫化方式的研究均是氣固兩相流的重大課題等等，顯然對多相流熱物理問題的深入研究必將大大推動我國科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展。由于多相流動及其傳質(zhì)過程的復(fù)雜性，多相流熱物理現(xiàn)在仍是一門試驗性很強(qiáng)的學(xué)科，目前研究水平大致是對大多數(shù)工程問題可以通過試驗研究得到認(rèn)識和解決，對一些具體問題在理論上有了比較清楚的了解，數(shù)值計算的模擬得到了較大的發(fā)展。但由于多相流熱物理學(xué)科的形成和發(fā)展是建立在許多不同的傳統(tǒng)行業(yè)及高新技術(shù)發(fā)展需要的基礎(chǔ)上的，又各有其解決多相流問題的獨(dú)特的不同方法，問題過分廣泛和復(fù)雜，至今仍未能將