傳熱學的發(fā)展及應用1+頁碼

傳熱學的發(fā)展及應用傳熱學的發(fā)展及應用傳熱學的發(fā)展及應用傳熱學的發(fā)展及應用卜康龍摘要：傳熱學從形成到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了幾個世紀，取得了許多成就，且越來越多的與其它學科相互交叉，如：航空航天、生物醫(yī)學、工業(yè)生產(chǎn)等，由于問題的復雜化和多樣化，不斷有新的研究方法、新的技術以及新的理論被運用其中。關鍵詞：傳熱學；傳熱方式；發(fā)展歷程；微尺度傳熱傳熱學是一門研究由于有溫度差異而引起的能量傳遞過程的規(guī)律及其具體應用的學科。熱和冷是人們熟知的一對固有矛盾。而熱量的傳遞,則是最常見的自然現(xiàn)象之一。自發(fā)的傳熱,永遠使對立的冷熱雙方各向自己的反面轉化:原先溫度比較高的,將因傳走熱量而逐漸冷卻,表現(xiàn)為溫度下降或者氣體冷凝和液體凝固，原先溫度比較低的,則因得到熱量而逐漸被加熱,表現(xiàn)為溫度升高或者固體熔化和液體蒸發(fā)。無論固體液體或者氣體,只要相互之間或者內(nèi)部各部分之間存在溫度差異,就會出現(xiàn)傳熱。通常認為傳熱可有三種在本質(zhì)上互不相同的基本方式:熱傳導(導熱)、熱對流和熱輻射。熱傳導是指在不涉及物質(zhì)轉移的情況下，熱量從物體中溫度較高的部位傳遞給相鄰的溫度較低的部位，或從高溫物體傳遞給相接觸的低溫物體的過程，簡稱導熱。熱對流是指不同溫度的流體各部分由相對運動引起的熱量交換。工程上廣泛遇到的對流換熱，是指流體與其接觸的固體壁面之間的換熱過程，它是熱傳導和熱對流綜合作用的結果。決定換熱強度的主要因素是對流的運動情況。熱輻射是指物體因自身具有溫度而輻射出能量的現(xiàn)象。它是波長在0.1～100微米之間的電磁輻射，因此與其他傳熱方式不同，熱量可以在沒有中間介質(zhì)的真空中直接傳遞。太陽就是以輻射方式向地球傳遞巨大能量的。每一物體都具有與其絕對溫度的四次方成比例的熱輻射能力，也能吸收周圍環(huán)境對它的輻射熱。輻射和吸收所綜合導致的熱量轉移稱為輻射換熱。實際傳熱過程一般都不是單一的傳熱方式，如\o"火焰"火焰對\o"爐壁"爐壁的傳熱，就是輻射、對流和傳導的綜合，而不同的傳熱方式則遵循不同的傳熱規(guī)律。為了分析方便，人們在傳熱研究中把三種傳熱方式分解開來，然后再加以綜合。1傳熱的發(fā)展歷程傳熱學作為學科形成于19世紀。導熱和對流兩種基本熱量傳遞方式早為人們所認識，第三種熱量傳遞方式則是在1803年發(fā)現(xiàn)了紅外線才確認的，它就是熱輻射方式。三種方式基本理論的確立則經(jīng)歷了各自獨特的歷程。在批判“熱素說”確認熱是一種運動的過程中，科學史上的兩個著名實驗起著關鍵作用。其一是1798年倫福特鉆炮筒大量發(fā)熱的實驗，其二是1799年戴維兩塊冰塊摩擦生熱化為水的實驗。確認熱來源于物體本身內(nèi)部的運動開辟了探求導熱規(guī)律的途徑。19世紀初，蘭貝特、畢渥和傅里葉都從固體一維導熱的實驗研究入手開展了研究。1804年畢渥根據(jù)實驗提出了一個公式，認為每單位時間通過每單位面積的導熱熱量正比例于兩側表面溫差，反比例于壁厚，比例系數(shù)是材料的物理性質(zhì)。這個公式提高了對導熱規(guī)律的認識。1807年他提出了求解場微分方程的分離變量法和可以將解表示成一系列任意函數(shù)的概念，得到學術界的重視。1812年法國科學院以“熱量傳遞定律的數(shù)學理論及理論結果與精確實驗的比較”為題設項競獎。經(jīng)過努力，傅里葉于1822年發(fā)表了他的著名論著“熱的解析理論”，成功地完成了創(chuàng)建導熱理論的任務。他提出的導熱定律正確概括了導熱實驗的結果，現(xiàn)稱為傅里葉定律，奠定了導熱理論的基礎。他從傅里葉定律和能量守恒定律推出的導熱微分方程是導熱問題正確的數(shù)學描寫，成為求解大多數(shù)工程導熱問題的出發(fā)點。他所提出的采用無窮級數(shù)表示理論解的方法開辟了數(shù)學求解的新途徑。傅里葉被公認為導熱理論的奠基人。在傅里葉之后，導熱理論求解的領域不斷擴大，許多學者作出了貢獻，其中，雷曼、卡斯勞、耶格爾和亞科布等人的工作值得重視。

在熱對流方面，英國科學家牛頓于1701年在估算燒紅鐵棒的溫度時，提出了被后人稱為牛頓冷卻定律的數(shù)學表達式，不過它并沒有揭示出對流換熱的機理。流體流動的理論是對流換熱理論的必要前提。1823年納維提出的流動方程可適用于不可壓縮性流體。此方程1845年經(jīng)斯托克斯改進為納維—斯托克斯方程，完成了建立流體流動基本方程的任務。然而，由于方程式的復雜性，只有很少數(shù)簡單流動能進行求解，發(fā)展遇到了困難。這種局面一直等到1880年雷諾提出了一個對流動有決定性影響的無量綱物理量群之后才有改觀。這個物理量群后被稱為雷諾數(shù)。在1880至1883年間雷諾進行了大量實驗研究，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)流動層流向湍流的轉變發(fā)生在雷諾數(shù)的數(shù)值為1800至2000之間，澄清了實驗結果之間的混亂，對指導實驗研究作出了重大貢獻。比單純流動更為復雜的對流換熱問題的理論求解進展不大。1881年洛侖茲自然對流的理論解，1885年格雷茨和1910年努謝爾特管內(nèi)換熱的理論解及1916年努謝爾特凝結換熱理論解分別作出了貢獻，只是為數(shù)不多。具有突破意義的進展要推1909和1915年努謝爾特兩篇論文的貢獻。他對強制對流和自然對流的基本微分方程及邊界條件進行量綱分析獲得了有關無量綱數(shù)之間的原則關系。開辟了在無量綱數(shù)原則關系正確指導下，通過實驗研究求解對流換熱問題的一種基本方法，有力地促進了對流換熱研究的發(fā)展?？紤]到量綱分析法在1914年才由白金漢提出，相似理論則在1931年才由基爾皮切夫等發(fā)表，努謝爾特的成果有其獨創(chuàng)性。努謝爾特于是成為發(fā)展對流換熱理論的杰出先驅(qū)。在微分方程的理論求解上，兩個方面的進展發(fā)揮了重要作用。其一是普朗特于1904年提出的邊界層概念。他認為，低粘性流體只有在橫向速度梯度很大的區(qū)域內(nèi)才有必要考慮粘性的影響，這個范圍主要處在與流體接觸的壁面附近，而其外的主流則可以當作無粘性流體處理。這是一個經(jīng)過深思熟慮、切合實際的論斷。在邊界層概念的指導下，微分方程得到了合理的簡化，有力地推動了理論求解的發(fā)展。1921年波爾豪森在流動邊界層概念的啟發(fā)下又引進了熱邊界層的概念。1930年他與施密特及貝克曼合作，成功地求解了豎壁附近空氣的自然對流換熱。數(shù)學家與傳熱學家合作，發(fā)揮各自的長處，成為科學研究史上成功合作的范例。其二是湍流汁算模型的發(fā)展。1925年的普朗特比擬，1939年的卡門比擬以及1947年馬丁納利的引伸記錄著早期發(fā)展的軌跡。由于湍流問題在應用上的重要性，湍流計算模型的研究隨著對湍流機理認識的不斷深化而蓬勃發(fā)展，逐漸發(fā)展成為傳熱學研究中的一個令人矚目的熱點。它也有力地推動著理論求解向縱深發(fā)展。還應該提到，在對流換熱理論的近代發(fā)展中，麥克亞當、貝爾特和?？颂叵群笞鞒隽酥匾暙I。

在熱輻射的早期研究中，認識黑體輻射的重要意義并用人工黑體進行實驗研究對于建立熱輻射的理論具有重要作用。1889年盧默等人測得了黑體輻射光譜能量分布的實驗數(shù)據(jù)。19世紀末斯蒂芬(J，Stefan)根據(jù)實驗確立了黑體輻射力正比于它的絕對溫度的四次方的規(guī)律，后來在理論上被玻耳茲曼所證實。這個規(guī)律被稱為斯蒂芬—玻耳茲曼定律。熱輻射基礎理論研究中的最大挑戰(zhàn)在于確定黑體輻射的光譜能量分布。1896年維恩通過半理論半經(jīng)驗的方法推導出一個公式。這個公式雖然在短波段與實驗比較符合，但在長波段則與實驗顯著不符。幾年后，瑞利從理論上也推導出一個公式，此公式1905年又經(jīng)過金斯改進，后人稱它為瑞利—金斯公式。這個公式在長波段與實驗結果比較符合而在短波段則與實驗差距很大，而且隨著頻率的增高，輻射能量將增至無窮大，這顯然是十分荒唐的。瑞利—金斯公式在高頻部分即紫外部分遇到了無法克服的因難，簡直是理論上的一場災難，因此被稱為“紫外災難”?！白贤鉃碾y”的出現(xiàn)使人們強烈地意識到，原先以為已經(jīng)相當完美的經(jīng)典物理學理論確實存在著問題。問題的解決有賴于觀念上新的突破。普朗克決心找到一個與實驗結果相符的新公式。經(jīng)過艱苦努力，他終于在1900年提出了—個公式。其后的實驗證實普朗克公式與實際情況在整個光譜段完全符合。在尋求這個公式的物理解釋中，他大膽地提出了與經(jīng)典物理學的連續(xù)性概念根本不同的新假說，這就是能量子假說。能量子假說認為，物體在發(fā)出輻射和吸收輻射時，能量不是連續(xù)地變化的，而是跳躍地變化的，即能量是一份一份地發(fā)射和一份地吸收的，每一份能量都有—定的數(shù)值，這些能量單元稱為“量子”?？茖W發(fā)展的道路往往是曲折的。普朗克公式因為缺乏理論依據(jù)而在當時不為人們所接受。普朗克本人對他的新假設認識上也有反復。只有在1905年愛因斯坦的光量子研究得到公認后，普朗克公式才為人們所接受。按照量子理論確立的普朗克定律正確地揭示了黑體輻射能量光譜分布的規(guī)律，奠定了熱輻射理論的基礎。在物體之間的輻射熱量交換方面有兩個重要的理論問題。其一是物體的發(fā)射率與吸收比之間的關系問題。1859和1860年基爾霍夫的兩篇論文提供了解答。雖然他在1860年論文中的證明是針對單色和偏振輻射的，然而它的重要意義正在于對全光譜輻射的推廣。其二是物體間輻射換熱的計算方法。由于物體之間的輻射換熱是一個無窮反射逐次削弱的復雜物理過程，計算方法的研究有其特殊的重要意義。1935年波略克借鑒商務結算提出的凈輻射法，1954年霍特爾提出、1967年又加以改進的交換因子法以及1956年奧本亥姆提出的模擬網(wǎng)絡法，是三種受到重視的計算方法。他們分別為完善此類復雜問題的計算方法作出了貢獻。

除了上述按基本熱量傳遞方式的發(fā)展以外，測量新技術、計算機、激光技術等新技術引入實驗研究，對傳熱學的發(fā)展也發(fā)揮了重要作用。還要特別提到的是，由于計算機的迅速發(fā)展，用數(shù)值方法對傳熱問題的分析研究取得了重大進展，在20世紀70年代已經(jīng)形成一個新興分支一數(shù)值傳熱學。近年來，數(shù)值傳熱學得到了蓬勃的發(fā)展，顯示出它的巨大活力。從以上發(fā)展簡史可以看出，傳熱學已經(jīng)發(fā)展成為一門理論體系初具和發(fā)展充滿活力的基礎學科。它在生產(chǎn)發(fā)展的推動下成長。同時，它的建立和發(fā)展反過來又促進生產(chǎn)的進步發(fā)展。當前，能源技術、環(huán)境技術、材料科學、微電子技術、空間技術等新興科學技術的發(fā)展，向傳熱學提出了新的課題和新的挑戰(zhàn)?？梢韵嘈?，傳熱學在迎接時代新挑戰(zhàn)的過程中，必將獲得更大的發(fā)展，取得更加輝煌的成就。2傳熱研究的現(xiàn)狀及應用20世紀以前，傳熱學是作為物理熱學的一部分而逐步發(fā)展起來的。20世紀以后，傳熱學作為一門獨立的技術學科獲得迅速發(fā)展，越來越多地與熱力學、流體力學、燃燒學、電磁學和機械工程學等一些學科相互滲透，形成多相傳熱、非牛頓流體傳熱、燃燒傳熱、等離子體傳熱和數(shù)值計算傳熱等許多重要分支。傳熱學理論廣泛存在于工程技術領域。提高鍋爐的蒸汽產(chǎn)量，防止燃氣輪機燃燒室過熱、減小內(nèi)燃機氣缸和曲軸的熱應力、確定換熱器的傳熱面積和控制熱加工時零件的變形等，都是典型的傳熱問題?，F(xiàn)在，機械工程仍不斷地向傳熱學提出大量新的課題。如澆鑄和冷凍技術中的相變導熱，切削加工中的接觸熱阻和噴射冷卻，等離子工藝中帶電粒子的傳熱特性，核工程中有限空間的自然對流，動力和化工機械中超臨界區(qū)換熱，小溫差換熱，兩相流換熱，復雜幾何形狀物體的換熱，湍流換熱等。隨著激光等新的實驗技術的引入和計算機的應用，為傳熱學的發(fā)展提供了廣闊前景。當前，能源與環(huán)境問題面臨著新的挑戰(zhàn)，傳熱作為能源動力系統(tǒng)的基本過程之一，傳熱部件性能的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)效率、安全性及可靠性。同時，國際學術前沿也需要將熱物理學科和材料學科、化學學科進行交叉。2004年6月中科院力學所國家微重力實驗室承擔的院知識創(chuàng)新重要方向項目“微重力科學若干基礎性研究”在兩相流傳熱研究方面取得新進展。1、微細通道流動與傳熱實驗——矩形窄通道內(nèi)單相強迫對流傳熱與流動沸騰兩相傳熱現(xiàn)象研究發(fā)現(xiàn)尺度減小傳熱強化，但臨界熱流降低，與微重力兩相流型進行了比較，二者具有很強的相似性，能夠進行相互模擬。2、空間池沸騰傳熱實驗裝置研制與地面實驗——研制返回式衛(wèi)星搭載實驗裝置(目前正樣裝置加工準備就緒)，利用模樣產(chǎn)品開展地面實驗工作，對空間搭載實驗所要求的各項功能均進行了實驗驗證，并著重對地面常重力環(huán)境中穩(wěn)定的雙模態(tài)過渡沸騰現(xiàn)象進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)雙模態(tài)過渡沸騰曲線并不像文獻中所報導的是直線，而是右鄰近CHF點處存在一極小值，影響到實際傳熱形態(tài)的變化。3、微重力兩相流現(xiàn)象的相似規(guī)律研究——分析重力對兩相流型特征的影響，提出了氣液兩相流型的重力無關判據(jù)和相似性準則，為地面模擬實驗設計及其數(shù)據(jù)解釋提供理論指導。4、微重力氣液兩相環(huán)狀流特征分析與實驗研究——針對復雜信號多尺度特性發(fā)展了一套雙重小波包分解算法，能較好地提取復雜信號的本質(zhì)特征，為環(huán)狀流界面波實驗數(shù)據(jù)的分析作好準備。2011年3月，中科院廣州能源研究所地熱能實驗室科研人員前往山東富爾達地熱能工程技術聯(lián)合研發(fā)中心進行中低溫發(fā)電機組有機工質(zhì)傳熱性能實驗，實驗取得新進展。實驗主要研究了有機工質(zhì)在各種不同熱源溫度和熱水溫差下的傳熱特性和運行規(guī)律，并對蒸發(fā)器和冷凝器的傳熱效果進行了測試，為中低溫發(fā)電機組的研制開發(fā)提供了基礎數(shù)據(jù)。2011節(jié)能控排傳熱進展國際研討會，國內(nèi)外20余名傳熱領域知名學者在會上作主題報告。大會分別就可再生及清潔能源、高溫換熱器、緊湊式換熱器、多相流、多孔介質(zhì)、輻射及能源儲蓄等9個議題中的傳熱傳質(zhì)問題進行分組討論和交流。久立特材核電站蒸發(fā)器用800合金U形傳熱管已于2012年1月9日通過了中國核能行業(yè)協(xié)會產(chǎn)品鑒定。2013年該產(chǎn)品正式交付使用并通過驗收，表明久立特材已成為世界上第三家能生產(chǎn)核電蒸汽發(fā)生器用800U形傳熱管生產(chǎn)的企業(yè),并標志著該核電關鍵產(chǎn)品已真正實現(xiàn)了國產(chǎn)化。2012年北京志盛博卡節(jié)能技術研究院聯(lián)合北京某公司共同研究開發(fā)的ZS-411輻射散熱降溫涂料是一種輻射熱量加快熱量傳導的一種涂料，輻射散熱降溫涂料能夠以1-13.5μm波長形式發(fā)射走所涂刷在物體上的熱量，降低物體表面溫度，新型輻射散熱涂料選用了具有較高的可見光和近紅外光反射率較高的熱紅外發(fā)射率和穩(wěn)定性的志盛威華特有的散熱高傳導溶液，溶液里加入了具有較高的熱傳導率和發(fā)射性納米碳管、具有電子躍遷多種尖晶石和保持涂層整體穩(wěn)定性的稀土元素氧化物等，在原有的基礎上提高散熱傳導20%以上，特別是在真空環(huán)境中加快散熱率可以提高60%以上。2013年6月新疆六師的1100MW超超臨界褐煤鍋爐點火成功，鍋爐內(nèi)的溫度升高到1450℃，鍋爐外表面溫度還維持在55℃。鍋爐超高內(nèi)部溫度，超低的外部溫度，高效的鍋爐隔熱保溫系統(tǒng)充分發(fā)揮作用。當前我國工業(yè)鍋爐能源資源浪費情況十分嚴重，節(jié)能潛力很大，隨著不可再生資源的減少，能源價格飛速上漲以及世界對環(huán)保、節(jié)能減排的日益重視。鍋爐市場發(fā)展的趨勢逐漸轉向熱效能高、環(huán)保、節(jié)能等特點。傳統(tǒng)老式電熱、燃油、燃煤、燃氣鍋爐由于耗能高、污染大、安全性差等原因?qū)⒅鸩酵顺鰵v史舞臺。2013年中國工程熱物理學會傳熱傳質(zhì)學術會議暨國家自然科學基金傳熱傳質(zhì)領域項目進展交流會議”在重慶成功召開。參加本年度“中國工程熱物理學會傳熱傳質(zhì)學術年會暨國家自然科學基金傳熱傳質(zhì)領域項目進展交流會議”交流的學術論文達814篇，基金項目進展交流139項。會議包含11個專題：傳熱傳質(zhì)類自然科學基金項目交流、熱傳導、對流換熱、相變換熱、輻射換熱、微小尺度傳熱、生物傳熱、多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)、測量及顯示技術、數(shù)值模擬、工業(yè)應用、換熱器及其它。會議還特別在26日晚上設置了傳熱傳質(zhì)學科交叉前沿論壇，作了“AchievingSynergyamongtheFlowsofMass,Ions,andElectronsinElectrochemicalPowerSystems”,“熱輻射光譜特性與傳輸——國防科技中的應用”,“生物質(zhì)能源技術的若干關鍵問題”,“通向腫瘤高端能量治療裝備：熱科學的獨特價值”,“飛行器傳熱傳質(zhì)學問題研究”,“水合物形成過程的熱質(zhì)傳遞”等交叉學科報告，向與會師生展現(xiàn)了傳熱傳質(zhì)學科與其他學科交叉所產(chǎn)生的魅力，開發(fā)了與會師生的科研智力，為其今后的科研方向指明了道路。中國科學院工程熱物理研究所傳熱傳質(zhì)研究中心科研人員研究出由聚合物先驅(qū)體法制備的SiOC大孔陶瓷的傳熱性能存在“構效關系”。SiOC大孔陶瓷室溫下表觀熱導率在0.041W?m-1?K-1~0.078W?m-1?K-1的量值，該隔熱性能可與已報道的鋁氣凝膠和碳氣凝膠相比擬。針對SiOC大孔陶瓷的實際微觀結構，提出了描述其熱輸運的立方陣列交叉納米球模型（如圖1所示）并發(fā)展了預測有效熱導率的理論公式。研究進一步揭示了相同熱解溫度形成的SiOC大孔陶瓷的表觀熱導率主要受SiOC固相體積分數(shù)的影響，而經(jīng)不同熱解溫度形成的SiOC大孔陶瓷，其微觀結構參數(shù)，尤其是相鄰顆粒間接觸長度與顆粒直徑的比值a/d是影響其熱輸運的另一個關鍵因素日本京都2014國際傳熱大會上，中國科學院理化技術研究所研究員、清華大學雙聘教授劉靜獲得國際傳熱界最高獎項之一威廉?伯格獎（TheWilliamBegellMedal），這是中國科學家首次獲得國際傳熱界最高獎項和榮譽。在國際傳熱大會上，劉靜研究員以“通向惡性腫瘤靶向冷凍或熱消融治療的途徑：生物體系內(nèi)熱量的精準輸運”為題作了45分鐘大會主題報告。油菜是經(jīng)濟價值高、發(fā)展?jié)摿Υ蟮挠土献魑?，也是蛋白質(zhì)、飼料、蜜源和能源作物，油菜籽的干燥和儲存聯(lián)系油菜高產(chǎn)，栽培和油脂深加工綜合利用。楊玲等[1]在分析油菜籽干燥特點和主要干燥技術的基礎上，綜述了油菜籽熱風干燥傳熱傳質(zhì)與優(yōu)化的研究進展，以期為油菜籽熱風干燥裝置設計、干燥工藝、參數(shù)和過程優(yōu)化等的研究提供依據(jù)，其有關油菜籽熱風干燥傳熱傳質(zhì)與優(yōu)化的研究多限于實驗層面，不具有廣泛適用性。傳統(tǒng)干燥理論和模型大多以Luikov理論和Whitaker理論為基礎，對其適當簡化或修正，由于假設多孔介質(zhì)為均勻分布連續(xù)介質(zhì)，無法揭示局部和整體之間的本質(zhì)聯(lián)系。將分形理論與孔道網(wǎng)絡模型相結合是多孔介質(zhì)干燥尺度綜合的有效方法。數(shù)值研究有宏觀、多尺度和微觀三個層面，借助CFD技術可以有效獲悉干燥速率、能量消耗和濕分分布等信息，優(yōu)化干燥裝置和過程控制。油菜籽熱風干燥實驗研究主要集中在干燥特性、干燥品質(zhì)及其測量技術等方面，為獲得良好的干燥品質(zhì)，應注意干燥工藝、參數(shù)和過程優(yōu)化。國內(nèi)外學者和研究人員對多孔介質(zhì)熱風干燥傳熱傳質(zhì)機理、干燥特性、干燥品質(zhì)、干燥工藝及過程控制等進行了大量的研究，并取得了很多研究成果，2014年10月，中廣核檢測技術有限公司完成了臺山核電EPR堆型國內(nèi)首臺機組蒸汽發(fā)生器傳熱管渦流役前檢查工作。此次蒸發(fā)器傳熱管渦流役前檢查工作，是中廣核檢測技術公司自主研發(fā)的核心檢驗技術首次應用于EPR堆型三代機組，具有新堆型、新研制檢驗設備首次應用、工期窗口設置短的特點。該里程碑節(jié)點如期完成，標志著中廣核檢測技術公司自主研制設備在EPR三代機組上的成功應用，為臺山核電役前檢查項目全面順利開展奠定了良好開局。2014年北大在超/近臨界流體微尺度流動傳熱研究方面有突破。張信榮課題組從超/近臨界流體邊界層對流穩(wěn)定性的角度，首次分析了開放通路系統(tǒng)中的超/近臨界流體受到局部熱擾動時，由于其極低的熱擴散系數(shù)和較高的膨脹特性，從而迅速在熱源附近建立薄熱邊界層以及發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象的熱動力過程，從基本的微尺度熱對流穩(wěn)定性角度解釋了上述的特殊渦流動現(xiàn)象。這一過程最終歸結為經(jīng)典的K-H不穩(wěn)定性和R-T不穩(wěn)定性在微尺度特殊流體方面的拓展。其要點在于超/近臨界流體薄熱邊界層熱聲擾動過程與重力的耦合作用，并且在不同時間尺度上又有不同的具體演化，相應的結果發(fā)表在PhysicaA398(2014)10-24。在以上工作的基礎上，課題組又針對該種微尺度渦流動混合機理和多工況表現(xiàn)進行了系列的分析研究，給出了超/近臨界流體微尺度熱擾動混合過程特性參數(shù)，并指出了該種機理在超臨界流體萃取、微尺度化工混合攪拌以及微流體熱力學方面潛在的應用，相關的結果發(fā)表在Chem.Eng.Sci.97(2013)67-80和J.Nanosci.Nanotech.14(2014)1-8。課題組還申請了國家發(fā)明專利(“一種基于超臨界流體的微通道混合方法”)，同時，課題組還進一步深入到了微尺度超/近鄰界流體傳熱這一領域，在復雜變物性流體傳熱過程和傳熱優(yōu)化、考慮了活塞效應(PistonEffect)的傳熱過程與傳統(tǒng)傳熱過程的異同、超/近臨界流體微尺度換熱自加速和自膨脹等現(xiàn)象等方面獲得了一系列新的發(fā)現(xiàn)，這一方面初步的結果和總結發(fā)表在Appl.Therm.Eng.DOI:10.1016/j.applthermaleng.2013.11.036以及《應用數(shù)學與力學》雜志(邀請論文，2014年3月第3期，pp.233-246)。課題組近期的研究集中在進一步深化超/近臨界流體微尺度流動動力學和傳熱機理方面，系列成果預期將促進超臨界流體物理和熱力過程產(chǎn)生新的理解，同時對微尺度流體理論和創(chuàng)新設計也期待有所促進。工程熱物理所相變微膠囊粉體傳熱研究取得進展。微膠囊化可以將功能物質(zhì)封裝轉變成無數(shù)微小工作單元，可使其具有特殊性質(zhì)和用途，大大擴展了各種材料的使用領域和場合。隨著高分子科學和技術的進步，微膠囊的制備方法也得到了長足的發(fā)展，多種多樣的微膠囊逐漸開發(fā)出來，在藥物控制釋放、生物制品、涂料、阻燃劑、紡織、感光材料以及相變材料等領域得到了廣泛應用。中國科學院工程熱物理研究所傳熱傳質(zhì)研究中心科研人員以脲醛樹脂為殼材，石蠟為芯材，采用原位聚合法制備的相變微膠囊為樣品，采用3ω諧波探測技術測量得到的有效熱導率為依據(jù)，通過分析樣品的傳熱過程，建立相應的有效熱導率理論模型。2014年以來中國科學院炭材料重點實驗室在石墨烯柔性散熱體領域先后取得重要進展。中科院山西煤炭化學研究所709組與清華大學和中科院金屬研究所相關團隊合作，結合石墨烯和碳纖維領域的學科優(yōu)勢，成功研制出高導熱石墨烯/炭纖維柔性復合薄膜。同時，山西煤化所708組與709組合作，系統(tǒng)研究了氧化石墨烯薄膜在炭化過程中的導熱性能演變機制，并獲得高性能熱還原氧化石墨烯薄膜。石墨烯基薄膜可作為柔性面向散熱體材料，滿足LED照明、計算機、衛(wèi)星電路、激光武器、手持終端設備等高功率、高集成度系統(tǒng)的散熱需求。這些研究成果為結構/功能一體化的炭/炭復合材料的設計提供了一個全新視角。中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)發(fā)布的《2014-2019年中國板式換熱器行業(yè)專項調(diào)研及投資趨勢預測報告》指出：換熱器是實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備，熱交換器的噸位約占整個工藝設備的20%~30%。換熱器作為工業(yè)生產(chǎn)裝置中的重要節(jié)能設備，在工業(yè)領域特別是在石油、化工、電力冶金等耗能大的行業(yè)中大量應用。在現(xiàn)代化學工業(yè)中換熱器的投資大約占設備總投資的30%，在煉油廠中占全部工藝設備的40%左右，海水淡化工藝裝置幾乎全是由換熱器組成的。另一方面，換熱器本身也是工業(yè)耗能、耗水大戶。換熱器設備耗能量占工業(yè)用能的13%~15%。我國工業(yè)冷卻用水量占工業(yè)用水總量的80%左右，取水量占工業(yè)取水總量30%~40%?；鹆Πl(fā)電、鋼鐵、石油、石化、化工、造紙、紡織、有色金屬、食品與發(fā)酵等八個行業(yè)取水量約占全國工業(yè)總取水量的60%。因此，發(fā)展高效節(jié)能的換熱技術與設備對實現(xiàn)工業(yè)節(jié)水、節(jié)能具有重要意義。目前中國換熱器市場主要集中于石油、化工、冶金、電力、船舶、集中供暖、制冷空調(diào)、機械、食品、制藥等領域。石油、化工行業(yè)是換熱器最主要的應用領域，約占換熱器30%的市場份額。石油、化工生產(chǎn)中幾乎所有的工藝過程都有加熱、冷卻或冷凝過程，都需要用到換熱器。電力和冶金兩大行業(yè)所需的換熱器約占換熱器市場16%的份額。由于城市集中供熱中心二次熱交換器、制冷空調(diào)蒸發(fā)器冷凝器的大量應用，集中供暖和制冷空調(diào)行業(yè)約占換熱器行業(yè)8%的市場份額。船舶行業(yè)應用大量的中央冷卻器等換熱設備，約占換熱器行業(yè)8%的市場份額；機械行業(yè)在汽車、工程機械、農(nóng)業(yè)機械中應用大量的機油冷卻器、中冷器等換熱器，約占換熱器行業(yè)8%的市場份額。此外，在食品、醫(yī)藥等領域，換熱器用量也較大。換熱器的技術發(fā)展現(xiàn)階段強調(diào)生產(chǎn)成本、運行成本、環(huán)境消耗成本等綜合成本與冷卻效果的優(yōu)化匹配。世界換熱器產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)品與技術方面的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為產(chǎn)品大型化、高效化、節(jié)能化。此外，換熱器新材料的開發(fā)應用、產(chǎn)品技術的更新?lián)Q代、不同應用領域產(chǎn)品的細分化也都是行業(yè)的發(fā)展趨勢。最近，據(jù)美國“華盛頓自由燈塔”網(wǎng)站12月4日報道稱，中國進行了新型高超音速導彈（高超音速飛行器的一種）的第三次試射。高超音速飛行器是指飛行速度超過5倍音速的飛機、導彈、炮彈之類的有翼或無翼飛行器,具有較高的突防成功率和偵查效能,能大大擴展戰(zhàn)場空間。對于該項研究，超燃沖壓發(fā)動機的研制尤為重要，而傳熱學與其研制有著極其重要的關系。其一，由于高超聲速推進系統(tǒng)極高的熱負荷，因此需要耐高溫的陶瓷基復合材料、碳/碳復合材料，同時需要燃料在工作過程中完成許多部件的冷卻任務。其二，保持超燃沖壓發(fā)動機的穩(wěn)定燃燒工作難度也很大。由于空氣和燃料的混合和燃燒時間非常短燃燒控制像騎自行車來遙控從身邊極速駛過的高鐵一樣困難。超燃沖壓發(fā)動機的工作窗口極其狹窄，錯過一點點，就不能夠維持工作。隨著燃燒的持續(xù)，發(fā)動機溫度升高，起燃燒環(huán)境也隨之變化，不及時補償?shù)脑捯矔茐娜紵龡l件，使持續(xù)燃燒失敗。這些都需要利用傳熱學的知識進行研究。蔣勁，張若凌[2]進行了再生冷卻超燃