2022年傳熱學(xué)發(fā)展動(dòng)態(tài)_共2頁

1、傳熱學(xué)的最新研究動(dòng)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(huì)遇到一些在特定條件下的傳熱問題，包括有傳質(zhì)同時(shí)發(fā)生的復(fù)雜傳熱問題?，F(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(dòng)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(gè)方面的傳熱學(xué)最新研

2、究動(dòng)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(gè)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(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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

3、層次到組織、器官直至整個(gè)生物個(gè)體內(nèi)的熱質(zhì)傳輸現(xiàn)象。其主要方向包括：對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)其進(jìn)行描述；對(duì)各種熱物理因子作用于人體及各種生物材料時(shí)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(gè)世紀(jì)以來生物醫(yī)學(xué)傳熱學(xué)的研究經(jīng)歷幾個(gè)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(gè)方面，然而由于問題研究的復(fù)雜

4、性，許多工作遠(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(shí)測定熱物性參數(shù)如熱導(dǎo)率k、熱擴(kuò)散率、血液灌注率wb 和代謝熱產(chǎn)率qm，更不用說測定時(shí)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)販囟戎怠囟茸兓实龋┑挠绊?，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(shí)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(shí)預(yù)測瞬變過程。此外，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的許多物熱現(xiàn)象的物理本質(zhì)尚待深

5、入揭示；臨床熱科學(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。二、微細(xì)尺度傳熱學(xué)精品學(xué)習(xí)資料 可選擇p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 1 頁，共 4 頁 - - - - - - - - -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(jì)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(dòng)傳熱傳質(zhì)，微尺度

6、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(jí)甚至更低，導(dǎo)熱的fourier 定律、流動(dòng)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(yàn)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(gè)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(jí)；再一個(gè)是時(shí)間尺度極限，即在微妙以至微毫秒內(nèi)瞬時(shí)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

7、問題上，之后則擴(kuò)展到微細(xì)尺度熱輻射、微細(xì)尺度對(duì)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(yàn)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(gè)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)

8、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”日美聯(lián)合研討會(huì)上，眾多學(xué)者都認(rèn)為，20 世紀(jì)最后10 年可能會(huì)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(shí)刻，而這一突破將對(duì)21 世紀(jì)初高新技術(shù)的發(fā)展起到極大的推動(dòng)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(dòng)、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(dòng)傳熱、高集成電子設(shè)

9、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(dòng)和傳熱等多項(xiàng)研究。在對(duì)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(duì)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(yàn)研究和數(shù)值模擬等三個(gè)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(jià)值的研究成果。宜益民等通過在液體中添加納米級(jí)金屬或金屬氧化物粒子獲得了納米流體，并對(duì)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

10、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(duì)納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的影響。蔣培學(xué)等對(duì)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(duì)在微小槽道內(nèi)流體的流動(dòng)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(yàn)研究很有可能使處于有速度滑移和溫度跳躍的滑流區(qū)。精品學(xué)習(xí)資料 可選擇p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 2 頁，共 4 頁 - - - - - - - - -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

11、設(shè)備發(fā)展的主流趨勢。電子器件特征尺寸不斷減小(例如，微處理器的特征尺寸在1990 年到 2000 年內(nèi)從 0.35減小到 0.18 )，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(duì)電子器件熱可靠性設(shè)計(jì)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(jì)早已引起國內(nèi)外研究單位的高度重視，并且得到了很大的發(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(jì)算機(jī)芯片的功耗已經(jīng)到了160w，熱流密度已經(jīng)到了100 w/cm2

12、 ?？梢娧兄聘咝У睦鋮s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；cray t3e 128 個(gè)處理器以下為風(fēng)冷，2562176 個(gè)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(shí)也可以提高強(qiáng)迫對(duì)流傳熱系數(shù)。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(jì)算機(jī)冷卻開辟了一個(gè)新領(lǐng)域，是

13、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(duì)流、向下流動(dòng)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

14、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四、多相流的傳熱傳質(zhì)多相流熱物理學(xué)科的發(fā)展對(duì)我國能源與動(dòng)力工業(yè)、石油化學(xué)工業(yè)、高科技等乃至整個(gè)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，尤其是精品學(xué)習(xí)資料 可選擇p d f - - - - -

15、- - - - - - - - - 第 3 頁，共 4 頁 - - - - - - - - -反應(yīng)堆的失水事故中的流動(dòng)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(duì)多相流熱物理問題的深入研究必將大大推動(dòng)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(dòng)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(yàn)性很強(qiáng)的學(xué)科，目前研究水平大致是對(duì)大多數(shù)工程問題可以通過試驗(yàn)研究得到認(rèn)識(shí)和解決，對(duì)一些具體問題在理論上有了比較清楚的了解，數(shù)值計(jì)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，至今仍未能將解決多相流問題的方法、技術(shù)或理論統(tǒng)一起來，更未形成以嚴(yán)格的數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，推導(dǎo)和構(gòu)造出具有嚴(yán)密內(nèi)在聯(lián)系與不同適用范