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

四、多相流的传热传质

  多相流热物理学科的发展对我国能源与动力工业、石油化学工业、高科技等乃至整个国民经济的发展起着极为重要的作用，如在核反应堆工程中汽轮机湿蒸汽两相流问题，尤其是反应堆的失水事故中的流动及传热；在油田开采和稠油注汽开采等过程中，存在着许多气、水、油三相流混输与分离问题；在炼油、化工、制冷等系统中，存在着大量两相流传热强化的课题；近年来正在发展流化床燃烧技术，煤的流化过程及硫化方式的研究均是气固两相流的重大课题等等，显然对多相流热物理问题的深入研究必将大大推动我国科学技术的进步及经济建设的发展。

  由于多相流动及其传质过程的复杂性，多相流热物理现在仍是一门试验性很强的学科，目前研究水平大致是对大多数工程问题可以通过试验研究得到认识和解决，对一些具体问题在理论上有了比较清楚的了解，数值计算的模拟得到了较大的发展。但由于多相流热物理学科的形成和发展是建立在许多不同的传统行业及高新技术发展需要的基础上的，又各有其解决多相流问题的独特的不同方法，问题过分广泛和复杂，至今仍未能将解决多相流问题的方法、技术或理论统一起来，更未形成以严格的数学理论为基础，推导和构造出具有严密内在联系与不同适用范围的完整科学体系。总体来说，研究的新动向是：
建立统一的理论和应用技术体系方法已是当前多相流学术界的共识，也是学科向纵深发展和相关工业技术进步的迫切要求。由于多相流问题最显著的共性是存在相间界面和内部的紊流流动特性，研究相界面的生成、运动、变化以及两相流紊流结构等非线形理论及其数学模化、数值计算与测试技术是当前乃至近几十年的主要任务和方向之一。


  随着新兴工业及高新技术的迅猛进展，研究存在磁场、电场、离心力场、高速运动体内、生物体内、微重力或失重等非常规环境及超高热负荷、超高能密度、微型通道等条件下的两相及多相流动与传热理论，以及研究常规条件下复杂几何通道、复杂多组分多相流动与传热传质理论和技术已成为多相流热物理科学研究的另一热门领域或方向。

  就传统工业范围而言，对许多机理问题在试验和理论研究方面需进一步深入，适用范围宽、精度高、便于实用的多相流测试技术还有待进一步开发，数值计算方法尚不够成熟。

  五、多孔介质传热传质的研究

  多孔介质是指内部含有许多空隙的固体材料。这些空隙大多数是相互连通的，在这些空隙中可以充有液体或气体或气液两相。从总体上来看，多孔介质是多相介质共存的一种组合系统。若从任一相来看，其它相就弥散在其中，故又称多孔介质为弥散介质。另外，由于空隙的联通性，可使处于多孔介质一端的流体，经空隙渗流到多孔介质的另一端，故又称为渗透性介质。

  在许多工程技术应用领域，都要涉及这种带有众多空隙的固体中的热量传递问题，例如土壤和某些建筑材料中的传热问题，它涉及到水文、地质、石油勘探与开采、地热利用、建筑等工程技术问题；在化工生产中也常常温到多孔介质巾的传热传质问题；近代多孔结构已应用于强化沸腾换热、热管、火箭壁面、核反应堆蕊及高温电子器件的冷却或绝热；还须指出的是，它还涉及到生物、食品、医疗等领域。因此，多孔介质中的热量传递过程，无论在过去还是现代，都是引人注目的研究课题。

  对多孔介质传递现象的研究最早始于1856年法国人Darcy对Dijon城地下水水源的研究，提出了著名的适用于一定条件下多孔介质流体流动的Darcy定律。但在此后的相当长时期内，一直停留在土壤与岩层中水流动这一类单纯可测得问题上。直到上世纪30年代后逐渐形成了多孔介质流体力学之一学科分支。同时，上世纪50年代左右，JMIKOB等人对多孔介质的干燥原理与技术进行了较为全面、系统、深入的研究，使人们对多孔介质传递过程的认识到达了一个新的高度。随着现代科学技术的发展，不断提出大量更为复杂的多孔介质传递问题，从而进一步促进了多孔介质传递科学的研究，成为当今世界科学技术发展中令人瞩目的热点。从历史发展角度加以分析，多孔介质传递学科存在如下特点：

  （1）众多学科交叉性质，涉及诸如渗流原理、毛细流理论、流体力学理论、扩散理论、相变机理和热力学原理等众多机理，求解过程还与数理方程、数值方法等数学科学紧密相联。

  （2）经过半个世纪，特别是近二十年来的发展，该学科已经具备了相当的基础，但其研究成果多分散于不同的应用领域，研究目的和研究内容因应用领域不同而在多孔介质的物理过程的性质研究方面各有侧重。在地下水文和石油开采中，关心的是多孔介质体中的液相流动规律；多孔介质干燥研究的重点在于水分的迁徙与蒸发；高温元件的冷却既注重传热又注重传质；对于化工填充床的研究不仅涉及气、液、固相之间的传热传质，而且要涉及化学反应过程。

  （3）无论从理论探讨还是从实际应用出发，多孔介质本身的不均匀性和随机性，构成了多孔介质传递现象和传递机理相互影响的错综复杂性，这给理论探讨和实验研究带来不少困难，必然给该学科的研究抹上经验主义色彩。

  虽然多孔介质质量、动量和能量的传递过程是一非常复杂的传输现象，但其过程涉及几个基础学科：渗流、相变、扩散、流体力学、热力学、传热学等，还是得到广泛共识。对多孔介质传热传质加以分析，可总结出基本的传热传质形式。传热过程包括：骨架和填充相本身的导热；骨架和填充相（流体）之间的对流换热；多相体系之间的辐射换热；当发生相变时，还有相变换热。传质过程包括：由于分子热运动和浓度梯度的存在，将发生分子扩散；对于流体，当存在驱动力梯度时，如：压力梯度、速度梯度、密度梯度、温度梯度等，就要发生对流传质；由于毛细多孔介质所特有的毛细行为，毛细力作用引起的宏观迁移。发生相变时，一种形态的物质转变成另一种形态的物质，必然存在物质的相态转变传质，同时伴随着潜热释放或吸取的相变换热过程。

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