对传热传质学科发展战略的几点浅见

对传热传质学科发展战略的几点浅见Some suggestions for the developmentstrategy of heat & mass transfer 陶文铨，何雅玲西安交通大学微型换热器 2004-10-24上海基金委的材料与工程学部对应于科学院的技术科学部；不仅数理化天地生这些基础科学有科学问题，技术科学也有科学问题，其重要性决不亚于基础科学的科学问题。 工程技术部与技术科学部名称之争。科学问题的例子： 一、 基金委的材工部对应于科学院的技术科学部，有许多重要的科学问题1. 传热学本身的发展历史传热学的发展经历了从基础科学到技术科学的阶段：早期的传热学属于数学家与物理学家：Fourier， Boltzman， Planck， 直到Buckingheim， Nusselt 以及俄国一批科学家（费截尔曼，基尔比切夫）建立了相似原理才使传热学从理论科学走向技术科学，在工程应用中起到重大的作用。相似原理就是技术科学中的重要科学问题。2. 沸腾换热中最有利成为气化核心地点的理论在 20世纪 50年代，国际传热界对加热表面上什么地点是最有利于成为气化核心尚无明确的认识（见在当时十分流行的米海耶夫的传热学）。 1959年，前苏联科学家 Labuntzov 从气化表面能量的分析得出结论：加热面的凹坑、刻缝最有利于成为气化核心。1973年西安交大热工教研室的实验发现，在光管外包一层金属丝网可使沸腾得到成倍强化，可惜因未能成功地解决制造工艺问题而没有付之实用。 1975年日本公司开发出了 Thermoexcel-E 型沸腾换热强化管，充分利用了这一思想，开创了高效相变传热管商业生产的先河，从此国际上形成了一个极大的产业：德国 : Wieland；美国 : Wolverine；芬兰 : Outkupum；中国：金龙 从气化核心这一技术科学问题的解决到多种商用沸腾换热强化表面的开发给我们一个重要的启示： 一个技术科学理论问题的解决会变成生产力，会产生巨大经济效益。(a) 日立 Thermoexcel-E(d) Wielad GEWA-SE (e) Trent 弯翅管图 1 部分商用沸腾换热强化表面结构示意图 (b) Wieland GEWA-TW(c) Wolverine-Turbo-B(f) 烧结表面二、 技术科学中理论问题的解决是基础科学的发现及其应用的重要支撑1. 从物理学中电磁学的发现到发电机的问世从物理学中发现金属导体切割磁力线会产生电流到发电机、电动机的的问世，经历了长达一个多世纪的时间，主要原因就是当时技术科学和制造工艺还不够发达，当时作为技术科学的电机学还没基本形成；到 20世纪末，这一从基础科学发现到变成生产力的周期已经大大缩短，就是因为这期间技术科学得到了较快的发展。技术科学中的科学问题的解决对基础科学发现的付之实际应用是一个极为重要的支撑 。2. 反物质的探索国际上以诺贝尔奖获得者丁肇中为代表的一批科学家正在从事空间反物质的探索，这是极其基础的科学问题。为此需要许多技术科学的支撑。例如为了达到用于反物质探索的超导的极低温，需要低温技术科学（ Crogenics)的支持，为了控制器件的温度需要解决传热学的科学问题。我国能源与工程热物理学科的研究人员：山东大学程林，上海交大顾宏中，中山大学吕树申等教授都参加了有关的研究。技术科学中的科学问题的解决对基础科学的发现也是一个极为重要的支撑。美国 2004年将发射使用四台SunPower制冷机的空间磁谱仪。该系统将安装在空间站上的大型超导磁体上（该磁体用来捕捉空间反物质，磁场强度为 7.5-10特斯拉）。制冷机将用来冷却 2500升液氦杜瓦的冷屏。四台制冷机可以提供 20 25W/77K， 单台制冷机的制冷量为 6-7W/77K。 阿尔法磁谱仪阿尔法磁谱仪 AMS-02应用斯特林制冷机应用斯特林制冷机图 2 阿尔法磁镨仪器三、 传热传质学的科学问题浅见1. 沸腾与凝结过程相界面迁移过程从微观到宏观研究一个十分简单又极难回答的问题：要使蒸汽完全凝结，不使用任何经验公示，管子要多长？已有的所谓相变换热数值计算，都要将由实验得出的关联式耦合到流场计算中去，例如大型电站凝气器的计算 (Zhang C.),或者管内凝结的分析计)(Wang H S, Honda H),均如此。商业软件 PHOENICS， FLUENT， STAR-CD 也 不能幸免。 因为蒸汽如何变成液体的过程连续介质模型的控制方程是没法模拟的，必须采用分子动力学模拟的方法。图 3 大型凝气器数值计算结果对经验关联式的依赖关系对内径 8毫米的管子在壁面上产生0.1 微米厚的凝结液体大约需要 6百万个分子。图 4 管内凝结的分子动力学模拟预测2. 强化换热换热的根本机理及其应用研究（对流换热的反问题）对于单相对流换热，过增元院士提出的场协同原理已经得到比较多的例子的证实。为更好地应用这一原理：对各种不同的对流换热应力图使流速与当地的温度梯度平行，引申出一个重要的对流换热反问题：应当如何构建换热表面才能实现，或者近似地实现这一基本思想？图 5 PEMFC的电化学反应示意图3.传热与流动的跨尺度计算原理与算法研究3.1 举例图 6 燃料电池计算模型难点：对燃料电池整体过程的建模与预测在几何上跨 3 4个数量级； 目前多数人仍用连续介质模型加上经验关联式；我们在 2年前就设想应用分子动力学模拟或者 DSMS来预测催化剂和交换膜中的迁移过程；目前日本、美国部分作者也在进行这一工作； 但是如何从连续介质跨到不连续介质，仍然是一个没有解决的问题。3.2 目前国内外研究情况3.2.1 材料科学一马当先研究金属裂缝的发生与发展采用了跨尺度模拟。控制方程本质上是扩散方程，界面跨越相对难度较小。图 20 材料裂缝的跨尺度模拟图 21 交界区的耦合3.2.2 热流学科开始起步质子交换膜中的迁移过程用分子动力学模拟，但尚未跨越；微尺度液体电渗流采 LBM及连续介质的跨越（ 2004）；分子动力学模拟计算凝结系数也有不少研究，但是尚未跨越；流动过程的对流项使得尺度的跨越难度大为增加。总体上国内