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热学新理论及其应用----新观点学术沙龙添加时间:2019-02-06 15:15
  徐建中:中国科学院院士,中科院工程热物理研究所研究员。主要研究方向为: 动力机械内部流动,节能与科学用能理论和应用,分布式能源系统和微、小型燃气轮机的研究与应用,风能利用的研究与应用,太阳能热发电的研究与应用。陶文铨:中国科学院院士,西安交大能源与动力工程学院教授,主要研究方向为:传热强化,微细尺度流动和传热,湍流模型及其工程应用,电子元器件的冷却技术,高效换热器,燃料电池的关键工程热物理问题,航空航天技术中的传热与流动问题,制冷工质相变换热的强化等。世界性的能源短缺和全球气候暖化是全人类所面临和迫切需要解决的难题,它不仅是一个科学和技术问题,还涉及经济、政治和外交领域。由于提高能源利用率(其俗称为节能),不仅能缓解本国能源的短缺,减少能源进口的依赖度,而且直接减少了碳排放。因此,节能/提高能源利用率被认为是一种最廉价、最清洁和最安全的能源。能源利用率的提高,不仅在化石能源利用中十分重要,而且在可再生能源(太阳能、风能和生物质能等)的利用中尤为关键,所以是实现低碳经济和低碳社会的关键因素。由于在各种能量的利用中,80%要经过热量的传递与交换,因此提高热量传递的能力、减小传递过程的损失是提高能源利用效率的关键。然而,在现有传热学理论中,只有传热速率的物理量,没有传热效率的物理量。在提高热量传递的能力时,只有传热强化的概念,没有传热优化的概念,从而导致现有热设备和热系统的能源利用率不高。为什么传热学中只有速率没有效率、只有强化没有优化的概念的问题,这对现有热学理论提出了挑战,现在的热学学科中还缺少某些基本物理量。另外,飞秒激光加热和碳纳米管等前沿技术对传热学中的核心定律傅里叶导热定律提出了挑战,因此需对热量的本质及其传递和转换规律方面作新的探索。在这样的背景下,由中国科协主办,中国工程热物理学会和清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室承办,以热学新理论及其应用为主题的第38期新观点新学说学术沙龙于2010年3月在北京召开,来自工程热物理、制冷、建筑节能、材料、力学等领域的30余位专家参加了讨论,另有30余位学者列席。专家们以提高能效和高技术发展中的热学问题为主要背景,从提高能效的新理论场协同原理、[火积]耗散极值原理、热质理论和普适导热定律、能势表征与不可逆性的关联关系4个专题,提出了[火积]、热质和能势等新概念来拓展现有的热学理论和发展新的节能技术并进行了探讨。这必将在发展节能新技术、提高能源利用效率、促进热学学科的发展和完善、推动学者之间合作等方面发挥积极作用。非常感谢各位参加这个沙龙,客气话就不说了,直奔主题。众所周知,热学是比较成熟的,应用非常广泛,为什么还要再思考呢? 原因来自三个方面,五个问题。两个问题来自教学,两个问题来自科研,一个问题来自个人对探索自然科学的兴趣。第一,教学方面。在热力学课程中,大家都说熵难教,难学。学生的反映是学焓是寒心,学熵是伤心。不仅学生反映,我自己不是研究热力学的,但国内物理学家冯端专门写了一本关于熵的书,他讲到,熵是极其重要的物理量,但又以其难懂而闻名于世。诺贝尔奖获得者普里高津也说,熵是一个奇怪的物理量,而且不可能给出完美的定义。可见它确实比较难。关于教学方面的现状,我问了一部分教师,说现在在课堂上讲热力学的时候,只讲熵的微观解释(宏观态出现的概率),很少、甚至不讲熵的宏观物理意义。奇怪得很,因为熵实际上是研究热功转换而引出的宏观概念,恰恰不谈宏观,只谈微观。对这样的现状,我自己就提了一个问题,为什么热力学中熵的概念难以理解?教学方面提出的第二个问题就是传热学课程理论性不强。学生觉得这课没意思,都是经验关系式。和流体力学相比,传热的定律基本上都是实验性的定律,包括傅里叶导热定律、牛顿冷却定律。有人说也有理论啊,例如边界层理论,但是那是流体力学理论,不是我们传热学的理论。当然,我们以前还有相似理论,这个基本上也是实验性的,而且现在传热学中讲得很少了。所以,我提出来问题二: 为什么传热学不像力学、电学等具有自己严格的理论体系?第二,科研方面有两个问题,第一个问题刚才徐建中院士也讲了,低碳、节能现在不仅是我们国家,而且是全世界共同研究的问题,这里跟我们有什么关系呢?大家知道,现在80%的能源利用都要通过热量的传递,怎么样把热量传递性能提高呢? 以前也有人做过,20世纪70年代的世界能源危机推动了传热强化理论和技术的发展。但是,今天仔细分析一下,传热强化不一定节能,我不是说一定不节能,是不一定节能。传热强化需要增加面积、提高流速,使得流阻和泵功增加更多,可以说一般都不节能。要节能,需要有优化概念。可是我们知道,传热学里面只有速率的概念,没有效率和优化的概念。如果有了效率的概念,我们把效率最大化,这就是优化。只有速率,没有效率,没有办法提高能源利用的效率。所以科研方面的第一个问题就是: 为什么传热学只有速率没有效率,只有强化没有优化的概念? 这就是问题三。科研里面提出的第二个问题,就是随着高科技的发展,大家知道,激光在武器、加工等方面具有非常重要的作用,激光的频率现在都已达到皮秒、飞秒量级。还有纳米技术,碳纳米管现在应用广泛,待研究的问题很多。这些领域提出了一个问题,传热学里面的核心定律傅里叶导热定律已不再适用,怎么办?好多人找各种各样的解决办法,但是他们的解决办法都是用各种各样的模型对傅里叶定律进行修正,傅里叶定律本来是两项,再修正加一项,修正办法就是用模型,而不是从基本定律导出来的。举个例子,如果把傅里叶定律和能量方程合起来,热扰动的传播速度无穷大,这显然不行。典型的CV模型,在傅里叶导热定律里加上热流随时间的导数项,CV模型加了一项以后,就变成热波了,波的传播速度是有限的,它解决了这个悖论,但是又产生了新的悖论。也就是,如果用CV模型计算,会产生负的温度,这就违背了热力学第二定律。用模型来进行修正,解决了一个问题,但是又产生了新的问题。而且,现在的各种模型无法描述稳态的非傅里叶现象。以前的非傅里叶导热都是在瞬态条件下,但是在碳纳米管里,发现在稳态情况下,它也会产生非傅里叶效应。从这些现象中,我们就提出了第四个问题: 为什么只能用实验定律来描述热量传递的规律?第三,兴趣方面。探索学科间的共性的兴趣,热学跟别的物理的其他分支学科(力学、声学、光学、电学)相比,没有质量,没有力,没有速度和动量。也许有人说,我们有力啊,但是这个力还是机械力,没有热的力,有人说非平衡热力学里面不是有吗,但它是广义力,这个力的单位不是牛顿,不是真正的力。别的学科里都有波,都有振动,有耗散,但是热学里面没有。热学里面有很多独有的概念,首先是熵,还有我们特别强调的,状态量、过程量、可用能[火用]等,别的学科有没有呢? 还是别的学科有,但是不用[火用] 这个差别就非常大了。为什么呢? 这个差别傅里叶早就总结出来了,他说力学理论是不能应用于热效应的,一直沿用到了今天。所以,我提出第五个问题,为什么热学同其他学科之间的共性是如此之少,而个性是如此之强?我就不重复这五个问题了,概括出来了以后,从这五个具体问题又可以归结为两方面的原因: 现在热学里头是不是缺乏某些基本的物理量呢? 是不是某些基本规律还有待发现呢? 按照这样的思路,我们初步做了一些工作,分四个方面或者是四个阶段。第一个阶段,就是温差场的均匀性原理。谁都知道逆流换热器比顺流换热器的效能好,为什么逆流换热器效能高呢? 大家说,对数温差最大啊,但是为什么对数温差最高呢? 不清楚了。25年前在传热年会上,我跟西安交大陈仲頎教授在下面讨论了这么一个愚蠢的问题,经过研究以后发现,决定换热器效能的应该不是流动的安排(叉流、逆流等),而是换热器里面冷热流体的温差的均匀性。按照这个原则来做,我们可以做到叉流换热器效能可以等于逆流换器的效能,更有甚者,可以高于逆流换器的效能,不知道大家能不能相信。因此,我们提出了温差场的均匀性原理,即换热器中冷热流体的温差场越均匀,换热器效能就越高,这就是优化的概念,不是强化的概念。第二个阶段,就是对流换热的优化。以前谈过了,换热只有强化,没有优化,那么怎么来优化呢? 在对流换热里面有两个场,一个是速度,另一个是温度的梯度,这是两个驱动力,这就是投入。因为优化就是指投入和产出的比。这两个合力推动热量前进,就是传热,这两个力的夹角越小,合力就是越大。投入不变,就是流速和温度梯度给定,怎么样使得产出最大呢? 就是两个力之间要协同,即夹角要小。但是这两个力都是场,速度和温度梯度都是场,不是点,实际上是驱动力场之间的协同,所以也叫场协同。也就是说,场的各个地方的温度梯度和流速的夹角越小,它们的协同越好,换热性能越好,能源利用效率越高。这是场协同的基本概念。场协同的概念比较直观,但是怎么设计场协同呢? 物理的本质是什么样的呢? 这就需要深层次方面的进一步的探索。第三阶段,就是要讨论新的物理量。借用其他学科的一些规律和经验,我们用比拟,也就是归纳法。大家知道,质量、力、势这些都是基本量。力学中有能量,有质量、重力、重量势,电学中也是讲电量、电力、电势和电势能。我们再来看热,先借用广义力,热势就是温度,那么热量和谁对应? 是和质量对应还是和能量对应呢? 我们说热量好像是跟质量对应,可是热量是能量,应该跟重力势能对应。实际上,如果我们看看输运定律、牛顿定律、欧姆定律、傅氏定律,热量应该和质量对应,但是少一个和势能对应的物理量。那么我们可以用热量乘上温度再除一个2,我们称之为[火积]。为什么叫[火积]呢,因为热量除以温度是熵,那我就借用这个概念。小结一下,热量在传递过程中是和质量相对应的,即有质量的特性,而现有热学中缺少的热量的能量叫做[火积]。和其他形式的能量一样,在传递过程中[火积]是需要耗散的,所以可以定义传热效率,输出和输人的[火积]之比是效率。有了效率就好办了,使得[火积]耗散最小,传热效率最高,场协同最好,能源利用率最高,这就是优化。场协同的本质就出来了,即最后能提高能源的效率。新的物理量解决了效率的问题,优化的问题,解决了能源利用的问题。第四阶段,我前面提到的高科技的发展,使傅里叶导热定律不适用的问题被提了出来。别人都是用模型修正傅里叶导热定律,我们试想一下是不是可以从第一性原理来推导。首先,热的质量特性,这个大家就奇怪了,我们搞传热的,包括研究物理的,是热质说还是热动说,经历了一百多年的争论,最后还是热动说胜利了。热是能量,怎么说是质量呢? 如果根据爱因斯坦的质能关系式就可以确定热量的当量质量,它就是热质。这个一般人很难接受,但是物理学界都能认可。有了这样的概念,传热就是热量在介质中的运动,从而引人了一系列的新物理量: 热质速度,热质力(这个力和机械力不一样,是两码事),热质加速度,热质动量等。从这里可以看到,[火积]本身就是热质能,他们之间仅差一个常系数。由于热量的质量特性,我们就可以用牛顿力学描述热量传递,可导出普适导热定律,适用于超常极端条件下(包括超高热流密度,纳米条件)的导热过程,但是它又可以和常规条件下的傅里叶定律相容,可以退化为傅氏定律。周远: 过增元教授非常大胆地提出了新的思路,我觉得很好。只有这样争论了,才有学派和科学的发展。我参加过过增元教授的学生的毕业论文答辩。我有一个总的想法,我们原来用的概念,比加说熵,还有焓,相关规律用得很成熟了,不是应用到我们的机器当中就已经是最好的了呢? 这不好说。不管什么样的理论,什么样的观点,最后还是要在实际中检验,所以这是很关键的。我的第一个观点是[火积]这个概念提出来之后是不是应该把它应用,制成一个图表,跟焓和熵图一样,我们在机器或者是循环里面应用,应用的结果比原来用的焓、熵的更好,更节能,那么证明新理论是比原来的焓、熵的概念要好得多。不妨用锅炉、用汽轮机来做一个设计,知果设计得更好,更节能,那就能说明问题,这是第一个观点。第二个观点,大家知道,现在用的这些理论统统都是在物理学上用得比较成功,但是在生物方面,包括人体在内,热学的观点真正应用到生物学还没有很成功。比如说熵,生物学里面是不是都是熵增? 熵增是大家都很普遍承认的,但是在生物学里不都是熵增过程,它是一个熵减过程。因此,如果用这个[火积]的概念分析一下,把我们物理学的概念用到生物上如果能用得很成功,说明这个理论很有意思。我的问题是,说熵的理论在效率上没有反映,这个可能不完全。因为Bejan就根据熵的理论提出了效率的问题。周远老师提的意见我也同意,理论要实践检验才是对的,现在这个理论没有办法用实践检验,后面有好的实际应用的话都不是理论证明,理论证明要从理论上来证明。这里关键的思路就是把热量看成了质量,爱因斯坦仅仅是研究机械运动的,当机械运动有了速度以后就有一个附加质量,有一个相对性质量。那么,把热看作质量,在后面从质量中就引出来一大套的东西,没有这个质量的概念就什么也没有了,关键是这个问题,我们要好好地讨论。潘宁: 我觉得自己是一个外行,几年前过增元老师的一个学生在我那儿做博士后,所以我知道这个理论。热学新理论用在材料上确实有成功的例子,我们发现用场协同和它的理论能有效地解决多孔介质的有效热传导问题,下午我会详细地讲一下。其中有一个关键问题就是能否测量[火积]。我们知道,熵在材料里面应用的一个很成功的例子是在高分子领域。20世纪40年代,当时在高分子系统里成功地把熵测量出来,后来使得统计热力学在材料学范围内的应用得到很大推广。以后,其中一个很大应用就是在统计物理和材料领域里。以前我跟过增元老师也交流过,如果可以测量到这个量,我觉得是比较重要的。另外,我有一个问题问过老师,您认为[火积]这个物理量经过一段普及以后会不会比熵更容易理解,在教学时更容易一些?王立秋: 刚才过增元老师讲热力学和其他学科有一些区别,但是一般来讲,大家认为热力学是一个广义学科,什么地方都可以用,好多人也相信,包括我也相信。但是确实,流体力学不是按照热力学的思路讲的,传热学也不是按热力学的思路讲的,问题在哪儿呢? 可能就是因为热力学有一个特殊的概念就是热量,这个热量跟力学不太相关。如果我们有热质的概念,热量这个过程量就可以用力学来研究,这样是不是传热学、流体力学都可以用热力学这一套规矩来了? 这是我想提出来的一点。第二点,刚才几位老师提出来了[火积]能不能测量,回答这个问题最主要的是看它是不是一个状态参数,如果是状态参数,我们就可以测,也不是直接测,状态参数都是和温度、压力等有关系的,三个量决定状态参数的数值。但是如果[火积]是一个过程量,就不可以列表,不可以列图,因为这个过程太多,不同的过程有不同的量。所以我不知道这是一个过程量,还是一个状态量,首先要解决这个问题。数学上确实也有两种不同的量,一种能够有全微分的是状态量,一种不能全微分,是过程量。我们热力学上的过程量和状态量的区分是有特色的,可能还是我们要保留的。陶文铨: 我认为[火积]比熵容易理解。中国有传统的铁板烧,铁板上有肉,铁板要跟牛肉传递热量,一定要把铁板加温,要能吃得时间长,必须要用铁板,不是用铝板,什么道理呢? 要高温,要内能大,它们的乘积是传递热量的能力,当温度降低到和环境相同的时候,这个铁板就没有传递能力了。这是一个非常容易接受的概念,就是你的定义。卢文强: 刚才过增元老师说了基于热质的概念,用牛顿定律可以推导出来普适的导热定律,而且可以把CV模型的一些工作连带在一起。但是微尺度传热有两种模型,一种微观模型,一种宏观模型。CV模型和后来的两项弛豫模型都是属于宏观模型,我不知道对微观的那些模型是不是也能建立联系,希望这项工作能够很好地开展。再就是它是不是状态函数。如果按照定义,内能乘以温度,那肯定是状态函数。我们现在讨论的只是导热问题,是固体、流体类的导热问题,没有做功的概念,没有体积的变化,因此,可以按微分的方式来定义它这个状态函数,但是对于气体来说就比较复杂,这个我们再详细讨论。还有一个就是标定的问题,[火积]确实是这样的。如果计算甲物体对乙物体的[火积],应该用乙物体的温度,就是环境温度,对象的温度作为标定,不是乘T,而是乘T-T0。还有刚刚卢文强老师提到的,我们现在用的是宏观模型,我自己有一个认识,它应该和微观模型是一致的,我们这方面做得还很不够,谢谢这方面的提醒。刚才讲的是一个边界层问题,因为传热里面很多是椭圆形的流动,所以,有必要把它推广到椭圆形流动。椭圆形流动的控制方程要增加一个流动方向的二阶导数项,把这个方程对外掠后台阶的换热区域做积分,把对边界的积分分归为流体边界和固体边界两部分,得到等号前面是这个积分量减去通过流体的导热,等号后面是固体的换热量。传热学告诉我们,当Peclet数小于100的时候,流体沿主流方向的导热量可以忽略不计,那么得到积分和边界层积分完全一样。即使考虑主流方向的流体导热,也不过是百分之几的差别,因此刚才的结论基本上是成立的。2005年,过增元先生进一步地把场协同理论归纳为三点。第一,协同角也就是速度跟温度梯度的夹角应该越小越好; 第二、第三个标量,即速度绝对值、温度绝对值和cos 。应该同时越大越好;第三,截面上速度和温度分布应该尽可能均匀。过先生的这篇文章发表在2005年国际传热杂志上,是最近5年国际传热界引用最多的文章之一。我们团队在第一方面做了一些工作,现在向各位汇报一下。第二部分,我们来看怎么来表示协同。做应用的时候需要知道怎样设计才能使速度与温度梯度协同更好。局部协同角是一个非常好的选择,局部协同角怎样平均呢? 我们曾经研究了多种平均方式:简单的平均、体积加权等。我们的研究表明,除了简单平均外,别的无论哪一种方式,虽然绝对值不一样,但是变化趋势是一致的,这个非常好。因为研究协同角的变化趋势是最主要的,而不是它的绝对值,因此,除了简单平均以外,各种的平均都可以采用。对流换热又分为两种极端情况。第一,速度与温度梯度是平行的,同向时流体被加热,逆向时流体被冷却,这个情况具有最高的效率,也就是说,速度和传热量成正比;第二,速度和温度梯度垂直,这是最差的情况,这时速度的提高对增加传热毫无好处。我们将要用实验证明这一条。还有螺旋折流板换热器,我们常规的垂直折流板换热器有很多的缺点,比如容易结垢、振动等。20世纪80年代,国外发展了螺旋折流板换热器,流体做螺旋状前进,有很好的特性,螺旋角的角度很重要,角度是90的时候就是垂直折流管,0就是纵向流动,很多实验结果证明,40的时候角度最好。我们要问一下,40的是不是协同角最小的呢? 我们做了数值计算,1000万网格,证明确实如此。对于螺旋折流板,之所以40的时候特性最好,就是因为协同角最小。我们曾经说过,如果温度梯度和速度是垂直的,流体的速度大小对传热没有好处,以前文献从来没有过,也没有实验。我们做了一个实验,当流动到充分发展的时候,流动方向速度跟温度梯度是完全垂直的,我们要证明流速的大小和传递的热量毫无关系,热量传递主要取决于两侧的温差,就是自然对流Gr。我们做了三个温差,10℃,20℃和30℃,10℃的时候换热量大概是40W,20℃时候是70W,30℃的时候大概是l00W。流动从零到很高的Re,换热量基本上没有什么变化,有一些变化是实验中问题造成的,所以我们的实验再一次证明,当温度梯度和流速垂直的时候,流速增大对传热毫无好处。第四部分,我们要用场协同原理来进行换热器的改进设计。现在的场协同原理可以把原来的三种强化单相对流换热的理论完全统一起来:第一,边界层减薄,就等于是减小协同角,这是外掠平板的计算结果。沿着流动方向,对流换热系数逐渐降低,协同角逐渐增加。所以说,热边界的增厚就意味着协同角的增加,这两者是一致的; 第二,增加流体热扰动。我们在通道中加上两个圆柱体,这两个圆柱体不增加传热,只增加扰动。我们计算发现,增加扰动以后,换热大大增加。同时,增加扰动以后,整个区域的协同角大大降低,所以说,增加扰动实际上就是改善了协同。第三,增加壁面速度梯度。我们在通道中间加个棒,在相同体积流量的条件下,就使壁面速度梯度增加了,这个棒就是起这个作用。我们发现,增加了棒以后,整个通道传热大大增加,同时整个通道的平均协同角大大降低,所以,增加壁面速度梯度也就是大大地改进速度跟温度梯度的协同。然后,我们把这个思想用于开发换热器。我们知道,现在大量使用开缝翅片,缝沿流动方向基本是均匀布置的,这个看起来非常合理,但实际上是不合理的。我们通过数值计算分析发现,在等温线跟流线垂直的区域,也就是温度梯度跟流线是平行的区域,在这个区域不要用强化或者少用强化措施,因为,强化是要付出代价的。但是到了等温线跟速度平行的地方,温度梯度和速度是垂直的,我们要强化,必须要在这儿强化,我们可以用一份的力量得到两份的好处。因此我们提出,沿流动方向均匀开缝是不合适的,开缝必须前面疏后面密,这就是所谓的前疏后密原则。针对某厂的翅片我们提出了三种前疏后密方案,最终选择了最好的一种做了实验,传热系数最少增加了26%,而阻力只增加了22%。我们知道,对气体的强化技术,常常是压降的增加倍率比传热增加倍率大。我们实现了传热增加大于压降增加。这已经被该厂采用,在国内得到应用。增加壁面速度的梯度,在同样体积流量下,因为壁面附近速度梯度大,传热就好。怎么来增加壁面速度梯度呢?我们在中间加一个棒,在相同体积流量下就把速度梯度提高了。管内是空气流动,外面是冷却水,我们通过数值模拟和实验研究找出协同最好的情况,我们深人地做了一个实验。管子里面,传热增加了20%-40%,而阻力只增加6%-11%,我们又一次实现了传热增加倍率大于阻力增加的倍率,这个已经被沈阳鼓风机厂采用。另外,最近我们研究了纵向涡发生器,我们知道20世纪的文献中提及了多种纵向涡发生器。纵向涡发生器在换热器中的布置位置以及其几何尺度对传热有影响,我们最近做了实验,也做了数值模拟,首先证明了我们的数据模拟软件是有效的,跟实验数据符合得相当好,定性一致,定量相差在10%以内。在平行板通道里面专门做了发生器,来流角度30- 45对传热有不同程度的影响,均远远好于没有发生器的平壁通道。如果说我们选择好角度,不仅传热强化,阻力还可能下降。再来看场协同角,有纵向涡时场协同角大大的下降,这是纵向涡发生器被实际应用的情况。我们正在跟工厂进行应用研究,在传热不减少,阻力有所下降的条件下可以从6排管减少到5排。2002-2009年,我们的团队发表了23篇关于场协同的国际期刊文章,至今已经被国内外期刊引用了330次,其中被SCI期刊引用222次,相当于每篇9.7次,单篇引用最高70次,同时我们很自豪地说,在传热学第四版里面,我们已经把这个场协同的基本思想写到里面去了(504页),这是国内外第一次把场协同原理写到本科生的教材里面。也正是因为这一点,传热学第四版真正体现了中国特色。第五部分,下面是需要进一步做的工作。首先,为了研制高效低功耗的强化传热元件,实施低碳能源技术,需进一步研究速度场、温度梯度与压力梯度之间的协同关系,以进一步达到在压力增加比较少,甚至不增加的情况下强化传热。限于时间我就不多说了。第二,相变传热强化管束自1974年以来一直是基于实验的研究,还没有做到理论分析。比如说,我们每年要为很多厂家测试这种管子,对不同的介质,不同的条件下究竟什么形状最好,现在还没有一个成熟可靠的理论分析方法。工程技术员只能用显微镜把好的结构描述下来,然后到工程里去用,我们觉得只要把场协同原理和传热与流动的多尺度模拟结合起来,就有望从理论上理解这个问题。第六部分,我发言的基本结论如下:首先场协同原理表明,改进协同,使温度梯度和速度方向一致,能大大的强化传热; 第二,场协同原理揭示了单相对流传热的最基本的强化原理,所有的单相对流的强化技术。我们都可以用场协同原理来解释; 第三,协同角对于揭示局部换热较差的位置是很好的指标,我们要强化一个换热表面,必须要把什么地方协同最差找出来,为找出最差的地方可以用数值模拟方法,场协同原理给我们提供了一个非常好的改进换热效果的方法; 最后,我们需要将场协同的原理推广到相变换热,进一步研究速度、温度梯度、压力梯度之间的协同,以为开发高效低功耗的强化换热元件提供理论依据。陶文铨: 场协同原理已经给我们提供了一个比较有效的办法,在相同条件,压力增加很小的情况下,传热增加很多,基本上还是在速度和温度梯度中。我们进一步认为,必须要考虑三者之间如何配合,使得压差增加最小,传热增加最好,或者单位泵功消耗下,传热效率最高,这个跟节能减排是密切相关的,这个工作难度更大一些,我们正在进行研究。周远: 看来核心问题就是速度和热流方向的角度问题,角度的问题,当然一个方法就是要改变结构,除了这个之外,刚才陶文铨教授也说了,如果雷诺数增大,边界层减小,角度也会变化的。刚才讲了三个因素,还有没有别的因素? 很多搞物理的人提出了这个问题,可能场协同在层流下比较显著,在马赫数很大的情况下,不一定要用场协同的理论,还有多少因素来影响这个角度? 这个角度是怎么产生的? 这些问题我觉得还是应该仔细地来讨论讨论,是不是可以请具体做这个工作的人来回答一下角度的产生还有没有别的因素影响? 因为增加翅片最好了,但是阻力会增加,所以说要看看还有没有别的什么办法。比如说适当加入一些蒸汽,或者是里面加一些颗粒什么的。我印象当中就是三个因素,即边界层、结构和温度。能不能加一点颗粒或者是其他的什么东西? 有没有考虑过这个办法?第一,提出这个理论,我认为是一个非常大的方向,一个大的原则,一个大的体系,这里还有一些细节需要不断地丰富完善,使之更加成熟。从协同的角度看,因为这个场里的量比较多,基本量是温度、压力和速度,还有梯度量比较多,是不是除了温度场和热流之间的量之外,也可以通过其他物理量和梯度量的信息反映出来? 这样是不是可以得到更加完备的关联式,而这个协同是和强化传热是完全联系的,是一个方法体系。第二个问题,关于场协同理论。现在来看,我们做换热器设计和检验的时候,从理论上或者是上升到理论层面有两个问题,一个是优化设计的问题,一个是性能评价的问题。对于场协同,我问一下过增元先生和陶文铨先生,是不是场协同更偏重于对性能的评价,而[火积]耗散和[火积]的原理更偏重于对性能的优化。我们开始可能要构建这样两个不同的方向。第三个问题,关于传热强化的评价问题。不光是对换热的评价,换热越强,性能越好,同时还要考虑对减阻的评价。还有一个综合评价,就是陶文铨老师刚才讲的综合评价,怎么样从场协同的一系列关系中建立起准确的强化传热的准则,这些准则既可以评价传热强化,又可以评价流动减阻,又能够反映综合性能,也就是综合节能的性能,这个就是要在体系上可以进一步去完备的。第四个问题,对于强化传热,或者说场协同,在流场里是否还有场协同不能涉及或者是达到的地方,或者是失效的地方? 比如说我们讲的回流和涡。如果说从回流的地方或者是涡的地方,速度会产生和主流方向反向的速度,有涡的地方,回流的地方,传热从高温到低温,梯度的方向不会发生大的变化,局部会产生变化。如果说局部产生涡和回流了,那个时候的方向性怎么去考虑? 由此想到了为什么平均协同角有时候会产生比较大的误差,或者是像刚才陶老师讲的我们有不同的评价方式,有五六种评价方式,每一种的趋势大体相当,但是评价起来相差还是比较大的。就是说平均协同角还有一些误差,这些误差是不是因为在那些发生涡的地方场协同还不能达到,这个还需要进一步的去考虑。最后,我认为这个理论是普适性的理论,是否在推广上也应该有一个普适性的描述,相变、多孔问题是不是也应该有一些普适性的描述? 这些描述都是严格的数据描述加上数值推导,不仅仅是数据计算和验证。回到我刚才最开始提到的问题,这个理论非常好,是中国人自己的理论,大的原则,大的框架,大的体系,需要在方方面面不断的改进和完善,这就需要我们共同去努力了。陈则韶: 这方面的文章很早送到我这里来评审过,刚开始学习没有今天听得这么真切,我觉得是一个非常好的、新的热的理论体系。陶文铨院士把场协同原理非常具体化地实施起来,要不然不知道这个场协同原理怎么完成设计。刚才陶院士提出了三个耦合量,速度、温度梯度、压力,我觉得可以归结为两个问题来讨论,因为我在研究热泵输运热量的时候,这个是逆自然自发过程,是要付出代价的。这里面牵扯很多的换热器,又牵拉热泵的热力制冷的循环,是以两种方法来进行热量输运的。第一种就是我们人为的创造出温差; 第二,是在传热上面要消耗。比如说热泵,是输入了一种可用能的形式。因此,在我们做总体平衡研究的时候,正在探讨究竟是用热泵的方法把温差拉大好,还是在换热器上面加入了一些空气提升水泵的流动好,这两种能量的消耗对于输运究竟哪种更好? 我想也可以纳入一个场协同的思路里去,甚至把过增元院士的主要用于传输热量的问题扩展到热功系统里面的做功的上面。另一个热泵制冷是消耗动力的系统,是不是把协同原理可以扩展为热功系统的协同原理? 因为我们做研究的时候发现,即使把换热器做得很好,在标准工况下是可以的,但是一旦出现了坏的环境温度变化的时候,所有的这个协同问题又应该怎么考虑? 我觉得这是一项非常现实的对节能和低碳有更广泛的意义的工作。华泽钊: 我觉得这个理论是没有什么可怀疑的,但是我有异议的是这个名称为什么叫场协同,协同本身是有一个含义,就是无序到有序的共同规律,现在好像有限制,这也限制了这个理论的发展,就像刚刚童秉纲教授说的,我不要场协同,我要场不协同,让它传热减小。过增元: 场协同的理论只能是一步一步地走,能使用什么范围就使用什么范围。陶老师提出来有可能扩展到三个场的协同,同时提出了相变,这是从实际需要出发提出的。对于童秉纲院士的气动热力学,这里共同的、有可能探讨推广的,一个是瞬态问题,另一个很重要的是因为里面有粘性耗散,所以是有内热源的场协同,这给我们提出了很好的课题和挑战。目前我们在瞬态情况做了一点工作,但是如果再加上内热源的话,我们从来没有做过,这方面值得考虑一下。华泽钊老师提的问题我也考虑过,我们的协同跟哈肯的协同论有什么区别?哈肯的协同论很宽泛,整个自然界的现象都想协同。另一个,他是从无序到有序; 我们这儿比较窄,就是谈一个传递过程之间的协同。因为和谐跟协同不一样,这个大家可以探讨。我们有协同数,有具体的东西,有表达式,研究的问题比较窄,要优化,要提高能源效率,哈肯的理论和这个毫无关系。我不是说我们一定对,只是把原始的想法跟大家汇报一下。童秉纲:刚才听了陶教授的发言,对于速度场、温度场协同的问题,我很有兴趣,我们正在研究气动热力学的有关问题,所谓气动热力学,就是空气动力学和热科学的结合,我们对问题的目的不一样,我们希望减少到物面的传热,希望更多的热量传入大气,传入物体的很少。我们正在做非定常气动热力学研究,也涉及非定常速度场和温度场的关系。所以,我委托鲍麟副教授介绍一下,因为这个会议也是提倡学科的交叉性。鲍麟:非常高兴有这个机会与诸位专家交流我们做的工作。我们课题组做气动热力学研究,同传热学既有区别,又有联系。这个学科关注高超声速流体或高温流体运动规律及其与固体相互作用规律问题。刚才听了场协同理论也受到启发,在此介绍我们的相关工作,希望各位专家给予指正。Allen在20世纪50年代提出载人式航天飞行器采用大钝头外形可以减弱空气对飞行器物面的加热作用。基于场协同的观点分析其原理可知: 在高超声速飞行时,飞行器钝头前产生一道很强的脱体激波,激波和飞行器之间存在紧贴物面的热空气层。在此层内,空气流动和物面几乎是平行的,而空气对物面的加热作用是沿着物面法向,所以流场和温度场梯度方向是近似垂直的,表现为反协同现象,因此空气对飞行器物面传热最小。现今,近空间高声速飞行器受到极大关注。这类飞行器不同于早期的载人式航天器,它可以在大气层内长时间飞行且机动能力强,需要考虑速度和温度边界条件随时间变化对物面加热的影响,即研究非定常气动力学,其中非定常速度场和温度场耦合下非稳态传热是关键问题。此问题不同于低速传热情况。以可压缩边界层流动为例,描述传热规律的能量方程中除了对流和热传导项,还有非定常项、压缩功项和耗散项。此时速度场和温度场相互作用是什么特征? 是不是有场协同原理存在?接下来,我们通过非定常可压缩平板边界层模型流动作一些理论探讨。该模型是一个无穷大平板浸没在流体当中,可以沿着自身运动。通过变换分析发现此问题控制方程组具有线性特征。因此我们解析两种典型情况: 一个是平板的突然启动问题,在初始时刻,平板从静止开始突然启动,物面温度也发生突然改变。另一个是周期性振荡问题,平板速度和温度随时间周期性振荡。其他任何非定常速度和温度边界条件引发的流动解都可以表达为以上两种典型问题解析解的线性叠加。通过考察两种情况下平板速度场和温度场解随时间变化特征均发现: 首先,两者的解析解均存在相似的误差余函数项,仅差一个参数Pr数,实际这都是由分子扩散导致的速度和温度场随时间变化,即动量扩散和能量扩散,其比例由Pr数衡量。其次,二者区别在于温度场还受到流动产生的耗散等作用,其影响幅度和Ec数(正比于Ma数的平方)呈正相关,即速度越高,耗散影响越大。在第二种情况中,耗散影响幅度还与速度温度振荡频率比有关。进一步对比考察物面的摩擦力和热流变化规律,也可以得到类似结论。通过上述讨论,我们已经看到,在非定常高速流动中的传热问题有新特点: 温度场和物面热流演变规律由扩散和耗散等作用共同决定,不仅取决于分子扩散等物性,还取决于Ec数等流动参数。此时场协同原理是否仍然存在,能否应用,目前还不清楚,请各位专家指正。无论换热科学与技术怎样的进步与发展,它总是面对不断前进的现代工业文明提出的更高的要求。这种广阔的生产需求,一方面使热传递科学与热交换技术迅速成为国际上最具活力及影响力的研究领域之一,另一方面又使得热交换技术始终表现出与生产实际的差距。特别是在我们国家,表现得尤为突出。换热器是一个非常大的产业,应用十分广泛。在电力、冶金、化工、建材以及食品等重要的行业之中,热能是能源的主要表现形式,有80%的热量需要换热器进行转换,以适应不同的工艺要求。所以,换热器性能的每一分提高,都意味着巨大的社会与经济效益。提高换热器性能的方法有三个方面,即过程控制、高效元件和设计方法。关于高效元件,刚才陶文铨教授已经讲了很多了,我主要谈一下设计方法。在换热器设计方面,向前一直追溯到20世纪40年代早期,几乎所有的研究都是把平均温差作为设计参数,而后又有了有效度和传热单元数法的概念。著名的换热器设计专家Shah在他的设计方法评估中明确指出,相对于对数平均温差法更偏爱有效度-传热单元数法。但是,在无明确性要求的背景下,我们也没有理由拒绝对数平均温差法。有时候忽视了平均温差,会失去对整个换热器工作状态的正确的理解能力。我本人提出了一种基于平均传热温差和有效单元数的分段直接设计法,在基本参数努谢尔特数中引入耗散指数,即一个新的判别式Nuf1/n= C,这是我自己提出来的,一直用在我和我的同事们的一些大型换热器设计之中,效果还不错。但是,很遗憾,我找不到它的物理意义。也许,它本身就没有什么有价值的物理意义。在换热器设计中有明确物理意义的是过增元教授提出的场协同理论。场协同理论的基本描述是: 换热器中冷热流体温度场间的协同越好,换热器的换热性能就越好,相同条件下的有效度越高。在过增元教授早期的研究中,称该原理为换热器强化的温度均匀性原则,即: 当传热单元数和热容量流比给定时,换热器中冷热流体间的温度场越均匀,其有效度越高。事实上,场协同理论是在传热过程中大家都知道并充分理解的常识,或者说是一种基本的规律。以场协同理论为指导,已经有了非常多的传热元件方面的成功案例。但是,即使有再多的个体也并不意味着全部,能不能用场协同理论作为一种设计方法得到应用呢? 我们仍然面临考验。我本人认为,再好的理论,如果没有工程应用,那么,这种理论就必须等待时间的检验。将场协同理论用在传统的换热器设计方法里,是完全不可能实现的。因为没有办法知道哪个地方是协同的,哪个地方是不协同的,也没有办法控制它。只能用换热器直接设计的方法,而现代计算机技术的迅速发展使换热器直接设计成为可能。场协同理论已经有了一个很完整的数学表达式,这样,通过数值计算的方式,可以使得换热器在其传热过程的每一个局部都尽可能地有较好的协同性。直接设计能够确定换热器表面最佳尺寸的同时也能满足所有限定的热力参数,但一般局限于那种换热面尺寸完全代表整个换热器表面的换热器。因此,就产生了一个问题。那就是根据我们目前对场协同理论的理解和把握,我们恐怕还没有办法使得整台换热器具有同一个目标函数下的处处协同。尽管我们可以利用数值计算的方式对我们所需要设计的换热器进行大量的计算,使之最大限度地协同。这对高校和研究机构来说不是问题,但对于企业和商业应用来说,则有着许多困难。以这样的方式形成一个可以广泛使用的商业软件的可能性是非常小的,因为你不能要求使用者为了使用你的软件去买一台服务器或者是小型机。这样,我提出了分段直接设计的思路,即在确定尺寸之前所有的最终温度首先被确定,已知数据仍包括: 热负荷,冷热流体的进出口温度,两侧的几何尺寸,两种流体的质量流量,在平均温度为定性温度下两种流体的物理特性、结构材料的物理特性。在选定几何尺寸之后,在努谢尔特数上加人一个耗散指数,换热器两侧同时在恰当的雷诺数范围内计算换热特性,并得到换热曲线。在相同的雷诺数范围内计算两侧的压力损失,得到两条独立的压损曲线,两条压损曲线与热传递曲线相交,以最右边的交点为设计的原始点。在换热和耗散关系式恰当的情况下,完全的数值运算就变得有可能,从而使传递过程热阻最小的目标在换热器设计中得到体现。与努谢尔特数相关联的耗散指数很重要,是实现换热器分段直接设计的关键,我们需要利用它进行判别。这个判别式就是刚才我所提到的 Nuf1/n= C,利用这个判别式我们设计了相当数量的换热器,最大的100MW以上,最小的0.35MW,应用比较广泛。污垢降低了换热器的性能,通过改变换热表面的几何尺寸计算出它在换热器中的大部分影响,是换热器设计中必不可少的一部分。流体诱导振动导致元件的损坏与运行中的噪声,防止这种破坏性振动是换热器设计过程中的一个准则,同时,利用流体诱导振动强化传热又始终充满了诱惑。通过换热器的分段直接设计方法,使这几方面的内容分别找到有效的解决途径。基于以上思路,我和我的同事们完成了一个正在测试的换热器设计软件。首先,以场协同理论为基础,采用分段直接设计,寻找一个简单的判别式优化传热结果。这样,就可以在换热器设计中采用传统方法,将相关数据输人之后,自动进行不同的计算。整个软件最大的特点是界面非常友好,比如说,计算完成之后,会自动形成一个换热器的三维图,见图1。这个三维图可以使设计者以不同的角度进行观察,看一看是否足够漂亮,还有哪一些细节没有考虑到,等等。同时,这个软件还会把所有的部件自动分离出来,给设计者以足够的空间,将其自身的智慧、感觉以及价值取向自由地表达出来。现在的这个软件在标注方法上也有一些不同。设计者可以点击选择任何一个部件,随即展示一个三维的立体尺寸标注。这样,设计者可以很直观地看到每一个部分的大小、比例和细微的结构。当设计者对整体和各个部件均高度认同之后,软件会给出通用工程图,以供制造者使用,见图2。至此,也许我们可以看到,综合考虑传热、阻力、污垢、振动的影响,努力实现换热器基准使用年限的经济指标最优(见图3),仅仅依靠我们已有的工作远远不够。我们应该努力寻找建立在科学基础之上的设计新方法。以这样的方法进行换热器设计,在理论上已不存在任何问题,但在具体的技术层面尚存许多困难。耗散因子和目标函数的物理意义都很明确,但是,我们采用什么样的方式来进行计算呢? 至少在目前我们还没有令人满意的答案。显然,我们需要更多的智慧,也需要更多的努力。王立秋:刚才听到各位代表的发言,我很受启发。扩展多场协同,还是沿着能量方程这个路走,这个很重要。刚才刘伟教授也提到了回流区怎么办? 好像那个问题不是场协同的问题,是能量方程的问题。因为能量方程是从热力学第一定律建立的,这没有问题,但是能量方程有很多的假设才能用热力学第一定律。其中一个假设就是导热过程和对流过程相互独立,两个之间的关系互相不影响的,才有我们现在都用的能量方程。但是一到回流区,比如说纳米回收这些领域中,导热和对流相互作用,影响就表现出来了。我们怎么再进一步发展场协同理论呢? 我们要从本质上看,不是速度场影响传热,而是相对速度场影响传热。有一个量就是速度的梯度,因为速度本身是一个质量,速度的梯度是张量,这有两部分,对称的部分一般叫速度应变张量场,是真正反映相对运动的。如果接受这个观点,就有速度应变张量场和速度配合的问题。怎么配合呢? 可以证明,一般应变的张量场用D表示,D场是张量场和温度梯度相互作用,出来三个相互独立的质量场,一个是温度梯度本身,再有D和温度梯度直接作用形成的一个场,也是一个质量场,还有D的平方和温度梯度相互作用的一个场。这三个质量场至今是相互独立的,其他也可以作用。问题就在于我们进一步发展场协同理论,让这三个质量场之间相互作用。有了这套理论之后,我相信回流的问题,还有其他可能应用场协同理论过程中发现的一些问题,说不定也能解决。所以我想,是不是场协同能够沿着刚才说的这三个场之间配合的方向发展,这还只是导热和对流的关系,当然还有同类的问题,还有多场协同的问题,这是导热和对流的协同问题,可能本质上应该是那三个场的协同。当然了,传统的能量方程大部分过程都是适用的,但是对于极端情况下原来没有考虑的导热和时流相互作用这一项,影响可能会比较大。刚才程林教授讲的其中有一个锅炉,锅炉里面有一个辐射增压加热的过程,用速度场与温度场的协同可能不行,这里可能有一些值得探讨的地方。另一个问题,刚刚大家讨论的问题都是单纯的对流换热过程,假如说这里面有质量的传递过程,组分有混合或者是扩散过程,比如在燃烧过程中,这种协同关系是不是仍然满足? 应该说协同的概念可以扩展,但是究竟怎么样协同? 速度场与温度场,还是与别的场,是不是一定没有夹角? 随着应用的范围扩展,这个可能也有不同的协同关系。刚才陶文铨教授讲的场协同理论,为我们指出了对流传热强化或者说优化的方向,但是,场协同理论很难确定什么样的速度场与温度场协同的最好,什么样的结构可以实现速度场与温度场协同的最好,应该说,依据场协同理论,这是不好预测的。也就是说,对于如何改善速度场和温度场的协同,场协同原理并不能给出一个清晰的答案。刚才过增元教授发言时候谈了[火积]的概念。实际上,传热过程是一个不可逆过程,如何评价其不可逆性呢? 这就跟传热过程的优化密切相关了。热量传递过程与动量输运不同,动量输运过程中,动量是守恒的,耗散的是机械能,耗散的机械能转变为热能。传热过程中传递的是热量,热量是守恒的,也就是说,不可能耗散热量,这是传热过程特有。我们认为,传热过程耗散的是过增元教授提出的[火积]。有了[火积]这一描述物体传热能力的物理量,我们就可以去寻求热量传递过程中满足[火积]耗散为极值时的速度场,这就是所谓对流传热的优化。要寻找最优的速度场,条件是泵功给定,原因在于不可能把所有复杂的问题都包括进来。优化的结果是使场协同数最大,换句话说,传递的热量最大。这样,问题又可以归结为: 给定粘性耗散(泵功和粘性耗散有关),寻求其[火积]耗散极小时的速度场,这是一个泛函求极值问题。有了速度场协同方程,我们就可以寻找最优流场的形式。下面给出两个典型的例子。一个是圆管内的层流换热的最优流场,图1圆管内层流对流换热的最优流场求解的结果是: 给定温度边界条件时,它是由八个涡(图l)或者是四个涡组成的多纵向涡的流场结构。纵向涡流动结构,使得沿传热方向存在速度分量。与通常情况相比(流动沿管轴向,传热由管壁传向管中心),速度与温度梯度的夹角变小,按照场协同理论可知,传热可以得到强化。另外一个例子是平行平板间通道内的湍流换热。与层流换热类似,我们推导了湍流换热的场协同方程。与层流换热相比,相对更复杂一些。求解结果同样是多纵向涡的流动结构,但是,它是靠近壁面附近的尺度非常小的涡结构,与层流情况相比,有很大的区别。第一个例子是开发的双斜内肋管(图3)。刚才讲到层流对流换热的最优流 场是八个纵向涡,这里,双斜内肋对为3对,所以,产生了3对纵向涡(图4),与最优流场比较接近。也就是说,依据最优流场的结构形式,人们可通过通道的结构设计,产生接近最优流场的流动结构,以便实现换热的强化或优化。另一个例子是微肋管,在空调行业用得比较多。微肋管对层流换热的强化几乎没有什么作用,但对湍流换热的强化效果非常好,而且,阻力增加比较小。前面提到,对湍流换热来说,优化速度场是在壁面附近薄层内形成的粘性底层厚度2-3倍的涡,依据该最优流场结构,通过分析就可以确定,微肋管应用工况下的最佳肋高度,或给定微肋管的最佳运行工况。最后我给大家提几个问题。场协同图4双斜内肋管内的流场与温度场理论尽管可以在很多地方用,但是还有很多不完善的地方和很多问题需要进一步的研究。比如说刚才讲的复杂的对流传热问题的优化,结构比较复杂,还有不同的不可逆过程,包括有辐射,如何优化? 还有就是刚才陶文铨教授讲的带相变问题,怎么去优化? 还有刚才提到的带有传质的对流传热过程,同时存在粘性流动、对流传质和对流传热三个不可逆过程,优化的目标函数如何选取? 实际上,场协同理论的进一步发展还有许多问题需要解决,希望大家能够多提出一些建设性的意见。过增元: 刚才李老师介绍了优化,回答了刘伟教授提出的问题,就是有涡,场协同能不能用,看起来能用,因为有涡的话,一部分肯定是逆着协同方向走的,但另外一部分协同得更好,所以总体效果还是好的。我提一个问题,根据场协同温度和速度场的协同关系,我从应用角度考虑,是不是能考虑这么一个参数,即雷诺数和马赫数比值。因为它象征了粘性耗散的准则,如果是这么一个比值,既要考虑粘性又要考虑它的速度场,因为马赫数和它的温度场是相关的,如果用这个做一个准则数来考虑协同关系,可能会更好。另一方面,我也有幸成为2000年国家科技进步奖的电力热能和民用核能评审组成员,由何雅玲教授、陶文铨教授提出的、用场协同指导的强化传热的元件和设备得到了国家发明奖二等奖。我作为这个项目的主审专家,也学到了很多东西。我觉得从国际上的承认和工程上的应用来看,场协同理论经过将近20年的努力,得到了很大的认可和成功,应该说是一个很好的成绩。但是我个人也同意大家所提的意见,现在这还是在原理的探索阶段,当然我个人觉得可能是一个普适性的原理,但是真正要推广到各个方面,比如说湍流怎么去用。今天陶院士也讲了一些计算机模拟的工作,但是我个人觉得还都是刚刚开始。至于去做相变,我觉得现在还看不到一个很清晰的路子。但是这个相变传热绝对不是一个小问题,因为制冷工业一定是有蒸发器、冷凝器,动力工业有朗肯循环,这个相变是绝对跑不掉的,而且相变的换热器内部发生什么过程,不用说去作理论分析,就是实验测量,比如说一个很普通的家用空调器的蒸发器和冷凝器内部的流场、温度场还有相分布。到现在为止,不仅中国人没有人做这个,全世界也没有人做。因为这个问题太复杂了,但是不解决这些问题怎么解决制冷工业和动力系统的问题呢?现在所做的还是很初步的,因为我做了很长时间的射流冲击,最简单的例子是射流冲击的驻点的温度是最高的,在驻点区肯定是层流。我们做过十几种流体,最后就是陶文铨院士讲的,努塞尔数和雷诺数的关系,都是实验做出来了,就是0.5,我有十多个研究生做这个,用不同的流体得到的一定是这个数据。尽管是层流,但是驻点的换热是最强的,怎么解释呢? 过增元先生的理论就很好的解释了,因为速度场、温度梯度和热流密度之间的场夹角是0。但是这还是一个很简单的情况,如果加上湍流还有过渡流呢? 刚才陶文铨院士讲到了雷诺数不可能大于1,我补充一点,在经验公式上也有大于1的,大于1就是过渡流。因为稍微增加一点速度,就从层流过渡到湍流了,所以说,在过渡区雷诺数的影响是非常可观的,指数可能是1.1、1.2,对此文献都有报道。在这种情况下,你说怎么去协同?刚才程林教授所提的,如果把场协同理论从科学探索变成一种设计的方法,设计的准则,所要做的工作就更可观了。但是无论如何,我们中国肯定是最大的换热器制造国,所以这个强化换热理论由中国人来主导是很好的,这个主导者应该就是过增元教授。但是他的研究刚刚开始,只是说解释,陶文铨先生解释前疏后密,从其他的方式也能解释啊,用边界层也可以解释。所以现在还是一种解释性的,真正要解释问题还要走很长的路。当然中国人能够提出自己的理论,是很了不起的。我觉得我们中国人主导了换热器的基本的强化理论是理所当然的。程林: 坦率地说,我们国家是换热器制造大国,但是我们仍然不是换热器制造强国,换热器的设计水平和发达国家相比还有很大的差距。比如,现在用理论进行一些设计,应该说做出来的性能和法国造、美国造、日本造的产品依然有差距。我们也做了螺旋直流板,尽可能地在实现场协同的条件下做出来之后和ABB的在性能上仍然有着较大的差距。所以,有了这样一个理论之后,并不代表着在实践之中完全的成功,只是给我们提供了一个空间,提供了一个努力的空间或者是说提供了一个努力的方向。我想我们还是应该能够认识到一点,无论是在制造水平、设计水平上,还是在研究人员的数量和自身的能力上,我们仍需提高。刘伟: 我刚才讲流场中形成的涡,在描述上一点问题都没有,不管一个涡或者多个涡,就是在局部地点的回流,那么小的地方,流体在那里打转的地方是不是会产生一些误差? 我是做一点补充。周远: 我同意马重芳教授的看法,中国人在理论上有发展的确是我们中国人的骄傲,但是也要踏踏实实的,尽量地努力去做。从现在讲的情况来看,我个人觉得确实有一些应用的,而且作用还是比较清楚的。刚才李志信讲到了,将[火积]和场协同放在一块儿,我认为它们是相互补充的。用场协同理论来说,首先要把场协同搞好,但是还要[火积]耗散小,就是两个要协作起来。场协同做得很好了,热流方向与流动方向也很好了,但是你这样做的结果还要让[火积]耗散最小,这就比较理想了。还有,就是几个场的角度问题。这个问题若深入研究,有很多的事情可做。为什么会产生这个角度? 比如说在管道里,气体在进来的时候的方向就是这样的,像旋流器里面有一些网,这个网是有传热功能,也有过滤的功能,如果管道里面又有一些阻碍,实际上会影响角度的。这个角度是怎么产生的? 这个问题非常重要,怎么产生,而且怎么让它达到最佳值,就是所谓的场协同的要求,可能产生的机理还是比较重要的。一个是气体跟固体的相互作用,会产生什么样的角度? 我们怎么做才能让这个角度适合我们的要求,达到场协同的要求?还有一个是与液体的,气体、液体、固体三项,相互作用会产生场,产生的角度怎么用表达式表达出来? 大家知道,现在有纳米材料,颗粒已经很小了,可以做到几十个纳米,研究人员把一些颗粒放到制冷机里面去,放到氟利昂里面。从传热的角度考虑,把颗粒放进去以后,会影响流动,也就是说可能会改变这个角度。刚才程林教授讲的公式,这个l/n的摩擦系数和我讲的颗粒究竟有什么关系?大家不要以为在气体里面增加一些颗粒,阻力一定就要变大,不一定是这样的。大家知道,在输油管道里,如果用适当的量跟适当的颗粒,阻力会减小。研究颗粒对于摩擦系数和相位角究竟有什么作用,我觉得里面还有好多基础性的问题可以研究。我是研究制冷的,制冷的流动是交变的,但是交变的角度就非常重要,这个角度是怎么产生的? 我们一直在研究这个问题。我跟我的学生一直讲,如果把角度的问题解决了,很多问题就很好解决了。为什么会产生交变流动呢? 就是因为产生了角度,如果没有角度,同向,那就没有问题了。质量流和压力的相位如果是一致的,就很好做了,所有热力学、流体力学的方法都可以用,但是就是因为产生这些角度,现在那些公式,比如稳定流动定常流动的公式就不好用了。所以研究气体、固体、液体的分子之间角度产生的原因,我觉得是非常重要的。这里面还是有很多的事情可做,做了以后的确可能为我们整个的节能减排,为我们整个的能源利用带来好处。第一,场协同理论的意义引导我们从经验设计到理性设计的上升过程。前不久我去参加山东海信的鉴定会,在会上他们的变频空调取得了很好的效果。当时谈到几个创新点,一个是在两器上,实验证明换热性能提高了8%-15%。另外还有一些变频的技术。当时我就问他,我说你有什么样的技术? 他的答辩人员说你跟我们具体的技术工程师交流一下,技术工程师说,以前的换热器的设计中,很多是试做法,像两器,我们做了大量的测试,有一些只是经验的东西,若是冷凝的,想办法来破坏这个膜,想办法强化它; 如果是蒸发的,要使它沸腾。他说,偶尔的机会看到过增元先生的场协同这本书,看完以后感觉思路明朗化了,就是有目的的设计。在我们的研究中确实有这样的一些体会,很多东西能够理性地去思考,去布置一些东西,由被动变成主动,这个意义是一方面。第二个方面,一个体系的完善确实有漫长的过程,但是很重要的一点是能够指导我们的实际工作。在我们解决方向性的问题上是很好的,在化学热力学上不是说不成立,但是更有效的是拿吉布斯函数或者是其他函数描述化学势等等更方便一些。刚才也有人提到了场协同在某一些场合,比如辐射等方面,是不是应用?我觉得这是一个漫长的过程。但是也不是强求什么东西都拿一个标准,在某种场合可能是表现为另外一种形式,可能是更方便大家使用。第三个方面,我想探讨一下,刚才很多人问[火积]是不是一个状态参数,刚才周远院士提得很对,我曾经也跟过增元院士探讨过,为了方便起见,能不能把[火积]做成类似于焓熵图等以更便于客户直接用。如果它是状态参数,这个东西很好用,比较方便能够做出来。我自己的体会,你应该是有条件的状态参数。比如说[火用],我们在定义了环境温度后才能唯一确定,如果基准不定,可能也不一样,当然也有很多问题需要探讨,是不是浓也是在一定条件下的状态参数,可能便于应用。许明田: 听了以上讨论,我受益匪浅。第一个受益就是,传

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