1、动力工程及工程热物理学科前沿1强化传热技术研究进展1 概述由于生产和科学技术发展的需要，强化传热技术从上世纪 80 年代以来获得了广泛的重视和发展。首先，随着现代工业的迅速发展，以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧。世界各国在寻找新能源的同时，也更加注重了节能新途径的研发。设计和制造各类高性能换热设备是经济地开发和利用能源的最重要手段，这对于动力、冶金、石油、化工、制冷及食品等工业部门有着极为重要的意义。其次，随着航空、航天及核聚变等高顶尖技术的发展，各种设备的运行时的温度也不断升高为了保证各设备有足够长的工作寿命及在高温下安全运行，必须可靠经济的解决高温设备的冷却问题。最后，随着计算机的迅
2、速发展，密集布置的大功率电子元件在电子设备中的释能密度日益增加。电子元件的有效冷却，是电子设备性能和工作寿命的必要保证。正是基于以上原因促使人们对强化换热进行了极为广泛的研究和探讨，力图从理论上解释各种强化传热技术的机理，从大量的实验资料中总结其规律性，以便在工业上加以推广应用，并发现新的更为经济实用的强化传热技术，因此近 40 年来在世界各国强化传热技术如雨后春笋般不断涌现出来。20 世纪 80 年代以来，我国经济发展迅速而能源生产的发展相对要滞后得多。面对改革开放带来的经济高速发展态势，能源供应难以满足迅速增长的需求，节能成为关系到能否可持续发展的重大问题，近年来我国也在节能领域取得了显著
3、的成绩。1980 年到 2000年 中国经济年平均增长 9.7% 而能源消耗的年增长仅为 4.6% 节能降耗年平均达5%。“ 九五”期间我国每万元国内生产总值 GDP 能耗 1990 年价由 1995 年的 3.97 吨标准煤下降到 2000 年的 2.77 吨标准煤累计节约和少用能源达 4.1 亿吨标准煤；主要耗能产品单位能耗均有不同程度下降。按“九五”期间直接节能量计算节约的能源价值约 660 亿元；节约和少用能源相当于减排二氧化硫 820 万吨二氧化碳计 1.8 亿吨。当前中国在能源利用效率、能耗等方面与世界先进国家相比还存在较大差距，能源节约还有很大的潜力。纵观强化传热技术的发展传热强
4、化的研究自始至终有着明确的目标和广泛的应用背景表现出高速度、实用性以及不断迎接高技术发展的挑战等三个突出特点。现代科学技术的飞速发展和能源的严重短缺对传热强化不断提出新的要求，使得研究深度和广度日益扩大并向新的领域渗透和发展，甚至成为某些高新科技中的关键。随着世界能源出现短缺和人们环保意识的增强，节能已成为经济可持续发展的重大需求。我国的节能技术的应用远落后于发达国家，实用的高效强化传热技术，在工业应用中具有广阔的前景。强化传热技术在石油、化工和能源等领域的应用，将带来巨大的经济和社会效益。在未来的几十年，能源环境、微电子和生物技术等领域必将成为传热强化研究和应用的重要舞台 。2 强化传热技术
5、研究现状Bergles 在总结强化技术及其发展时，将强化换热技术划分为三代。从 19 世纪末开始，人们开始关注传热强化的研究，但是由于当时的工业生产水平对传热强化的要求不是很迫切 ，所以对于强化传热的研究基本上属于实验科学，还很不成熟，相应的传热强化技术属于第一代。从 20 世纪 70 年代石油危机开始，国际传热界加强了传热传质过程的机理研动力工程及工程热物理学科前沿2究，发展了第二代传热强化技术以提高过程效率和节能降耗为目的。近年来又出现了第三代传热强化技术复合强化技术。所谓复合强化技术就是将两种或两种以上的强化措施同时应用以期获得更好的传热强化效果。按照 Bergles 的分类对流换热的强
6、化技术可分为被动强化技术(Passive Technology 或称无源强化技术)和主动强化技术 (Active Technology 或称有源强化技术) 被动强化技术除传热介质的输送外无需外加动力，而主动强化技术则需要外加能量以强化换热过程。被动技术可分为下列 7 种： （1）处理表面：用机械或化学的方法将换热表面处理成多孔表面或锯齿形表面，多用于相变换热，可以增加汽化核心及气泡脱离速度 或者促进凝结液的的迅速排走。（2）粗糙表面：其表面粗糙元的微观结构几何尺寸比处理表面大，但与通道的几何尺寸相比还是十分微小，主要用于增加壁面附近的流体湍流度、减少粘性底层厚度，对湍流对流换热的强化十分有效。
7、（3）扩展表面：扩展表面的翅片几何尺寸比粗糙元要大得多，目的是增大换热面积。它广泛用于各种对流换热场合，尤其当介质是气体时，由于换热系数较小，通过增加换热面积来提高换热能力最为有效。（4）扰流元件：扰流元件一般是设置在通道中的与介质流动方向垂直的柱体 它不仅能对介质的流动起到扰动作用 而且还能增加传热面积。（5）旋流发生器：旋流发生器是在流动通道中放置的扭曲带、螺旋叶片等。目的是使层流流动中产生强烈的涡动，从而强化换热。但是，它对湍流状态下的传热增强比层流时要低得多。（6）螺旋管：对流动通道本身进行弯曲或扭曲，使流体产生与主流方向垂直的二次流动从而强化换热。这种强化技术也是主要应用于层流换热。
8、（7）表面张力器件：换热表面的某些特殊结构，如多孔结构，利用表面张力能够强化有相变的换热。属于主动强化技术的有如下 6 种：(1)机械搅动(2)表面振动(3)流体振动(4) 电磁场(5)喷注或抽吸(6)射流冲击强化换热技术的应用要综合考虑许多因素。通常流体的流态即层流或湍流对于选择换热强化的方法占有举足轻重的地位在层流对流换热情况下流体的速度分布和温度分布不像湍流那样平坦，流体与壁面间的温度降产生在整个流动截面，因此对层流换热所采取的强化措施传统上是使流体发生强烈的径向混合，使核心区流体的速度场、温度场趋于均匀，壁面及壁面附近区域的温度梯度增大，进而强化层流换热。但对于湍流，由于流体核心的速度
9、场和温度场都已经比较均匀，对流换热热阻主要存在于贴壁的流体粘性底层中，因此对湍流换热所采取的主要强化措施是破坏边界层，即增加对边界层的扰动以减薄层流底层的厚度，使传热温差发生在更加贴近壁面的流体层中增强换热能力。另外，传热介质的种类对选择换热强化方法也具有十分重要的作用。每种强化传热技术都有与之相对应的强化传热机理。但由于影响因素纷繁复杂，涉及的应用范围十分广泛 技术和评价准则多种多样。传热强化的技术研究通常是针对某种具体强化方式作各种参数下的性能实验和计算分析，并归纳出适用于一定范围的经验公式以供工程设计使用。在对流换热强化中，研究人员通常是针对某种具体的强化技术并在可实现的范围内变动其中的
10、参数以便最大可能地覆盖具有不同特征的流态。然后，依靠数值计算或实验来获得强化性能，以期认识它们各自的适用场合。是用于高粘度还是低粘度流体，层流还是湍流等。顾维藻等, Bergles 和 Webb 较为详细和系统地探讨了各种强化技术的机制、特点、性能和适用场合。动力工程及工程热物理学科前沿33 对流换热的场协同理论上述这些强化技术虽然已取得了相当广泛的应用，但是它们普遍存在一个相同的问题 , 即传热强化的同时，流动阻力( 或功耗) 的增加更多,这就大大限制了它们工程应用的价值和范围。传统强化技术发展的另一不足之处是，它们基本上是现有技术的改进，缺乏一些基于新概念的创新性的传热强化技术。过增远院士
11、从流场和温度场相互配合的角度重新审视对流换热物理机制，在此基础上提出了换热强化的场协同原则。它不仅能统一地认识现有各种对流换热和传热强化现象的物理本质，更重要的是，它能指导发展新的传热强化技术，不仅在思路上与现有强化技术有很大不同，而且在传热强化的同时，阻力(或功耗) 低得多，更有利于节能和工程应用。对流换热强度，取决流动当量热源强度，即量纲积分的数值，所以定义 PrReNuydTFc为对流换热的场协同数,它代表了流场与热流场的场协同程度 。速度场与温度梯度流的协同的体现有三个方面：( 1 ) 速度矢量与温度梯度矢量的夹角余弦值尽可能大，即两矢量的夹角 尽可能小 ( 9 0)。( 2 ) 流体速度剖面和温度剖面尽可能均匀(在最大流速和温差一定条件下)。( 3 ) 尽可能使三个标量场中的大值与大值搭配，也就是说要使三个标量场的大值尽可能同时出现在整个场中某些域上。4 结论（1）简单介绍了强化换热技术发展的历史、背景及必要性。（2）简单介绍了传统的强化换热的原理分类和应用。（3）简单介绍了对流换热中的场协同原则是指：对流换热的性能不仅取决于流体的速和 物性以及流体与固壁的温差，而且还取决于流体速度场与流体热流场间协同的程度。在相 同的速度和温度边界条件下，它们的协同程度愈好,则换热强度就愈高。
