传热学发展动态

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，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α、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，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、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。