熱質(zhì)理論的研究進(jìn)展

熱質(zhì)理論的研究進(jìn)展

熱質(zhì)理論是近年來清政府科學(xué)與文化委員會(huì)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)提出的理論體系。這是研究熱量傳遞規(guī)律和熱量?jī)?yōu)化的新理論。該理論的建立是從審視熱量的本質(zhì)出發(fā)的,和歷史上的“熱質(zhì)說”(認(rèn)為熱是沒有質(zhì)量的流體)和“熱動(dòng)說”(認(rèn)為熱是物質(zhì)內(nèi)部粒子的振動(dòng))不同,該理論提出熱的“能、質(zhì)”二象性學(xué)說,一方面認(rèn)為傳統(tǒng)熱學(xué)中熱具有能量的屬性,另一方面根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系式定義了“熱質(zhì)”,即熱的質(zhì)量,熱量在傳遞時(shí)同時(shí)具有質(zhì)量的屬性,因此,可以采用力學(xué)分析方法(包括牛頓力學(xué)和分析力學(xué))研究熱量的傳遞規(guī)律。國家自然科學(xué)基金委先后對(duì)熱質(zhì)理論的研究通過重點(diǎn)基金和變革性重大項(xiàng)目進(jìn)行了資助。國家自然科學(xué)基金委員會(huì)近些年啟動(dòng)“變革性重大項(xiàng)目”資助機(jī)制鼓勵(lì)由于創(chuàng)新性強(qiáng)而實(shí)現(xiàn)的難度大、風(fēng)險(xiǎn)性高的項(xiàng)目,“熱質(zhì)理論的關(guān)鍵科學(xué)問題”是基金委歷史上資助的第3個(gè)變革性重大項(xiàng)目。近些年,“熱質(zhì)理論”的研究已在國際上形成很有特色的研究方向,在取得豐碩研究成果的同時(shí),也帶動(dòng)了相關(guān)交叉研究領(lǐng)域的跟進(jìn)和發(fā)展,在傳熱學(xué)界引起了廣泛關(guān)注和學(xué)術(shù)爭(zhēng)論。1有限時(shí)間力學(xué)研究雖然熱學(xué)是一門發(fā)展歷史比較長(zhǎng)的學(xué)科,但是現(xiàn)有的熱學(xué)仍面臨以下三個(gè)方面的挑戰(zhàn):第一,世界性的能源短缺要求提高能效。能源是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和可持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力,目前,能源短缺已經(jīng)成為全球的共同難題,而提高能源利用效率是各國面臨的共同選擇。在各種能量的利用中,80%以上要經(jīng)過熱量的傳遞與交換,因此提高熱量傳遞的能力、減小傳遞過程的損失是提高能源利用效率的關(guān)鍵問題。但是,現(xiàn)有的傳熱強(qiáng)化理論與技術(shù)難以適應(yīng)提高能源利用效率的要求,因?yàn)樵诂F(xiàn)有的傳熱理論中,只有熱量傳遞“速率”的概念而沒有熱量傳遞“效率”的概念,從而使得傳熱過程只有強(qiáng)化的概念而沒有優(yōu)化的概念。為了改進(jìn)熱量傳遞的性能,所付出的往往是材料(高導(dǎo)性能)或能量(流體泵功或外加電磁場(chǎng)),得到的回報(bào)是傳遞速率的提高,通常情況下,在傳熱強(qiáng)化的同時(shí)阻力和泵功增加得更多,因此通常情況下傳熱強(qiáng)化并不節(jié)能。傳熱過程的優(yōu)化應(yīng)該是指在給定條件下(比如給定高導(dǎo)熱材料數(shù)量、驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)的泵功或流量等),最大程度地提高系統(tǒng)的熱量傳遞能力。由于目前的傳熱學(xué)缺乏傳熱優(yōu)化的理論和方法,使得現(xiàn)有的傳熱強(qiáng)化技術(shù)不可避免地帶有一定的試驗(yàn)性和盲目性,研究結(jié)果也缺乏通用性,更重要的是不利于提高能源利用效率。為了解決熱過程優(yōu)化的問題,近些年發(fā)展了非平衡熱力學(xué)、最小熵產(chǎn)原理和構(gòu)型理論等不同的學(xué)術(shù)分支。為了讓熱力學(xué)知識(shí)能夠更好的用于工程實(shí)際問題,20世紀(jì)中后期,Berry等人提出了現(xiàn)代熱力學(xué)的另一個(gè)分支——有限時(shí)間熱力學(xué)。美國杜克大學(xué)學(xué)者A.Bejan根據(jù)不可逆過程熱力學(xué),以熵產(chǎn)率來衡量傳熱過程的不可性,并提出以熵產(chǎn)最小原理來優(yōu)化傳熱過程,被稱為熱力學(xué)優(yōu)化。但是Shah等分析了18種典型換熱器的性能與有效度的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)熵產(chǎn)最小原理并不適用于熱交換過程分析。此外,Bejan還提出利用“構(gòu)型”法來布置發(fā)熱體積內(nèi)的最優(yōu)導(dǎo)熱通道網(wǎng)絡(luò),也常被稱為構(gòu)型理論,導(dǎo)熱通道結(jié)構(gòu)也被用在對(duì)流散熱通道網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化,其不足之處是構(gòu)型要事先設(shè)定,而且需用一維導(dǎo)熱的假定。第二,高新技術(shù)領(lǐng)域中經(jīng)典的傅里葉導(dǎo)熱定律不再成立。傅里葉導(dǎo)熱定律隱含著熱量的傳遞方式為擴(kuò)散的機(jī)制,而在超快激光加工技術(shù)中,激光脈沖寬度可達(dá)到飛秒(10-15s)量級(jí),這種超快速的瞬態(tài)加熱過程使得傅里葉導(dǎo)熱定律不再適用。這些挑戰(zhàn)吸引了大量學(xué)者對(duì)非傅里葉現(xiàn)象進(jìn)行研究,并建立了各種非傅里葉導(dǎo)熱模型。目前已有的模型,如C-V模型通過對(duì)傅里葉導(dǎo)熱定律加入熱流弛豫時(shí)間修正得到了熱波方程,理論預(yù)測(cè)出了有限速度的熱波傳遞,Qiu和Tien[1結(jié)合雙溫度理論和熱流弛豫時(shí)間模型提出了雙曲兩步模型應(yīng)用于金屬材料中的瞬態(tài)非傅里葉導(dǎo)熱研究,Tzou則提出了考慮溫度和熱流兩種弛豫時(shí)間的雙相滯模型。然而,它們都只是對(duì)傅里葉定律的唯象修正,通過加入不同的弛豫時(shí)間項(xiàng)來描述熱流同溫度梯度之間的滯后來解釋有限熱擾動(dòng)速度的熱波現(xiàn)象。這些修正模型不僅無法解釋穩(wěn)態(tài)條件下的非傅里葉導(dǎo)熱現(xiàn)象,還會(huì)帶來負(fù)溫度和負(fù)熵產(chǎn)等悖論。近年來還發(fā)現(xiàn),在納米材料的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中,如果熱流密度足夠高,對(duì)于碳納米管和其它低維材料中的導(dǎo)熱問題,傅里葉導(dǎo)熱定律也不適用。最近也有一些學(xué)者采用聲子水動(dòng)力學(xué)方法得到非傅里葉導(dǎo)熱模型并用于納米系統(tǒng)的導(dǎo)熱分析,即通過求解聲子的Boltzmann輸運(yùn)方程得到聲子輸運(yùn)的宏觀控制方程,代表性工作如:Banach等和Jiaung等采用Chapmann-Enskog分布函數(shù)展開式和Guyer等和Hardy等采用本征函數(shù)分析的方法,其模型既包含了熱流對(duì)時(shí)間的偏導(dǎo)數(shù)(體現(xiàn)為時(shí)間滯后效應(yīng)),也包含了熱流對(duì)空間的偏導(dǎo)數(shù)(體現(xiàn)為非局域效應(yīng)),結(jié)合邊界條件可以較好地預(yù)測(cè)納米系統(tǒng)的導(dǎo)熱。目前,幾種方法得到的導(dǎo)熱模型不能統(tǒng)一,結(jié)果也不同,在物理內(nèi)涵上尚沒有明確的解釋。這導(dǎo)致微納機(jī)電器件的熱分析和熱設(shè)計(jì)無法進(jìn)行,迫切需要發(fā)展新的熱量傳遞理論。第三,熱學(xué)與物理學(xué)其它分支學(xué)科缺乏共性的量和規(guī)律。熱學(xué)作為物理學(xué)的一門分支學(xué)科,一方面,它缺乏與其他物理分支學(xué)科間的某些共性規(guī)律。正如導(dǎo)熱理論的奠基人傅里葉早在1822年在其熱學(xué)專著《熱的解析理論》中指出的那樣“……無論力學(xué)理論的研究范圍如何,它們都不能應(yīng)用于熱效應(yīng),它們不能用運(yùn)動(dòng)和平衡的原理來解釋?！匀徽軐W(xué)的這一部分不可能與動(dòng)力學(xué)的理論有關(guān),它有它本身特有的原理?！彼?熱學(xué)中沒有熱量運(yùn)動(dòng)速度、加速度、動(dòng)量等物理量,沒有類似于牛頓定律那樣描述物體運(yùn)動(dòng)的基本定律。這就使得熱學(xué)中唯象的、實(shí)驗(yàn)性的和經(jīng)驗(yàn)性的定律居多,與力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)相比,其理論基礎(chǔ)還很不完善。另一方面,熱學(xué)中卻有不少獨(dú)特的物理量,如熵、可用能()和不可用能()等。鑒于物理學(xué)體系中有關(guān)統(tǒng)一性的信念源遠(yuǎn)流長(zhǎng),而且隨著物理學(xué)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,統(tǒng)一性還在繼續(xù)發(fā)展,因此,探索熱學(xué)與物理學(xué)其它分支學(xué)科更多的共性規(guī)律也是熱學(xué)學(xué)科發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。世界性的能源短缺要求提高能效和高新技術(shù)領(lǐng)域經(jīng)典傅里葉導(dǎo)熱定律不成立的挑戰(zhàn)和熱學(xué)學(xué)科發(fā)展的需求提出了3方面的問題促使人們思考,出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是是否由于熱學(xué)中的基本概念有不足之處,或是缺乏某些基本物理量,這就需要對(duì)熱學(xué)中最基本的概念和規(guī)律進(jìn)行討論和研究。正是基于這方面的思考,清華大學(xué)過增元教授及其團(tuán)隊(duì)從重新審視熱量的本質(zhì)出發(fā),提出了熱質(zhì)理論的學(xué)術(shù)體系。2熱質(zhì)理論及其應(yīng)用2.1用熱質(zhì)概念作為熱學(xué)概念處于靜止?fàn)顟B(tài)的物體的熱量是能量的一種形式,稱之為熱能,它實(shí)際上是組成物體的大量粒子無規(guī)運(yùn)動(dòng)機(jī)械能的總和。組成無宏觀運(yùn)動(dòng)的物體的每各粒子必然具有其靜止質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量。根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系式,現(xiàn)在把所有粒子因熱運(yùn)動(dòng)而增加的質(zhì)量的總和稱之為物體具有的熱質(zhì)量,即熱質(zhì),它就是物體熱能所當(dāng)量的質(zhì)量,其定義為其中,V、p、Cv、T相應(yīng)為物體的體積、密度、比熱容和溫度;Ev是物體的熱容量和(固體的熱能),Mh是物體的熱能所當(dāng)量的質(zhì)量,簡(jiǎn)稱熱質(zhì)。這里提出的熱質(zhì)概念與18世紀(jì)熱質(zhì)說的概念是不同的,這里指是熱能所當(dāng)量的質(zhì)量,具有真正意義上質(zhì)量的量綱[kg]。我們說熱量具有質(zhì)量的特性,并不否定熱量具有能量的特性,當(dāng)討論熱量與其它形式能量轉(zhuǎn)換時(shí),它表現(xiàn)為能量特性,而當(dāng)討論熱量運(yùn)動(dòng)時(shí),它表現(xiàn)為質(zhì)量特性,所以熱量具有“能、質(zhì)”二象性,就如光具有波粒二象性。在熱質(zhì)概念的基礎(chǔ)上還可進(jìn)一步引入熱質(zhì)勢(shì)、熱質(zhì)速度、熱質(zhì)能()等熱學(xué)新概念,一方面可用牛頓運(yùn)動(dòng)定律描述熱量傳遞過程,從而建立普適導(dǎo)熱定律,它不僅適用于在空間和時(shí)間的微納尺度極端條件下的傳熱過程,而且在常規(guī)條件下可退化為當(dāng)前常用的傅里葉導(dǎo)熱定律,即普適導(dǎo)熱定律同樣適用于常規(guī)條件下的傳熱過程。另一方面用歸納法和演繹法導(dǎo)得一個(gè)新的核心物理量——,它代表了物體向外傳遞熱量的能力,在傳遞過程中會(huì)有耗散而不守恒,所以耗散能夠度量傳熱過程的不可逆性,的耗散可用來定義傳熱效率,并用于傳熱優(yōu)化來提高熱設(shè)備和熱系統(tǒng)的能源利用效率(圖1)。2.2適用的洛直木律和應(yīng)用2.2.1熱質(zhì)理論的普適導(dǎo)熱定律熱質(zhì)運(yùn)動(dòng)的守恒方程包括熱質(zhì)質(zhì)量守恒方程與動(dòng)量守恒方程。熱質(zhì)的質(zhì)量守恒方程為它實(shí)際上就是傳熱過程中的能量守恒方程。熱質(zhì)的動(dòng)量守恒方程為與流體動(dòng)力學(xué)中的Navier-Stokes方程具有類似的形式。該方程的左側(cè)兩項(xiàng)分別為熱質(zhì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間慣性力項(xiàng)與空間慣性力項(xiàng),亦可以稱為加速度項(xiàng);右側(cè)兩項(xiàng)分別為熱質(zhì)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力項(xiàng)與阻力項(xiàng)。熱質(zhì)在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)類似于多孔介質(zhì)中的流體流動(dòng),所以熱質(zhì)阻力與熱質(zhì)流動(dòng)速度成正比。在絕大部分工程實(shí)踐中,熱質(zhì)的慣性力項(xiàng)非常小,熱質(zhì)的動(dòng)量守恒方程即為驅(qū)動(dòng)力與阻力的平衡,這時(shí)就得到了傅里葉導(dǎo)熱定律,即q=—k0▽T,即熱流q正比于溫度梯度▽T,比例系數(shù)為導(dǎo)熱系數(shù)k0。熱質(zhì)理論所導(dǎo)出的普適導(dǎo)熱定律與前人基于聲子波爾茲曼方程求解出的導(dǎo)熱方程具有類似的形式。聲子波爾茲曼方程為其中f為聲子狀態(tài)分布函數(shù),vg為聲子群速度,N和R分別表示聲子不同散射機(jī)制。熱質(zhì)理論所提出的基本概念,如熱質(zhì)遷移速度、熱質(zhì)壓強(qiáng)等,都可以通過聲子狀態(tài)分布函數(shù)的積分得到。結(jié)合熱質(zhì)的概念,聲子波爾茲曼方程可以用類似流體力學(xué)中導(dǎo)出Navier-Stokes方程的方法來得到。通過對(duì)聲子狀態(tài)分布函數(shù)作高階展開,其中k為聲子波矢,u為聲子氣遷移速度,導(dǎo)出了熱質(zhì)理論中的空間慣性力項(xiàng),從而闡明了熱質(zhì)理論所導(dǎo)出的普適導(dǎo)熱定律可以從聲子波爾茲曼方程的非線性解得到。另一方面,聲子波爾茲曼方程的Chapman-Enskog展開可以得到熱質(zhì)理論中的粘性耗散項(xiàng),預(yù)測(cè)了納米系統(tǒng)中可能出現(xiàn)熱導(dǎo)率隨著系統(tǒng)直徑或者厚度的改變而變化的現(xiàn)象,在研究當(dāng)前熱點(diǎn)的納米熱電材料方面具有重要應(yīng)用。2.2.2量運(yùn)動(dòng)的慣性力項(xiàng)的影響當(dāng)熱質(zhì)的動(dòng)量守恒方程中的慣性力項(xiàng)不能忽略時(shí),如在快速瞬態(tài)激光加熱、納米尺度導(dǎo)熱等情況下,傅里葉導(dǎo)熱定律不足以描述真實(shí)導(dǎo)熱過程。這時(shí),從熱質(zhì)動(dòng)量守恒方程中可以導(dǎo)出比傅里葉導(dǎo)熱定律更為普適的導(dǎo)熱定律,包含了熱量運(yùn)動(dòng)的慣性力項(xiàng)的影響,即其中τTM為延遲時(shí)間,l為具有長(zhǎng)度量綱的慣性系數(shù),Mah是熱馬赫數(shù),它是聲子氣遷移速uh與聲子氣聲速Ch的比。普適導(dǎo)熱定律預(yù)測(cè)了多種非傅里葉導(dǎo)熱現(xiàn)象。例如,當(dāng)熱流的時(shí)間慣性力不能忽略時(shí),普適導(dǎo)熱定律預(yù)測(cè)了熱量是以波動(dòng)形式向前傳遞的,具有有限的傳播速度(圖2)。這克服了傳統(tǒng)傅里葉導(dǎo)熱定律預(yù)測(cè)的熱量傳播速度無限大的悖論,在預(yù)測(cè)快速瞬態(tài)激光加熱過程方面具有重要意義。又如,類似稀薄氣體在微通道中的流動(dòng),熱質(zhì)在運(yùn)動(dòng)過程中由于密度降低會(huì)發(fā)生加速,這將導(dǎo)致傅里葉定律被改寫成q=k0(1-b)▽T,體現(xiàn)了熱質(zhì)流體的可壓縮性。這樣,普適導(dǎo)熱定律可以預(yù)測(cè)碳納米管或者石墨烯的等效熱導(dǎo)率隨著長(zhǎng)度與溫度的變化。2.2.3熱質(zhì)理論和普適導(dǎo)熱熱質(zhì)理論提出熱量具有質(zhì)量屬性,并且利用牛頓力學(xué)的分析方法對(duì)熱質(zhì)流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行描述并獲得普適導(dǎo)熱方程,可以對(duì)超快速飛秒激光加熱、穩(wěn)態(tài)高熱流密度導(dǎo)熱引起的非傅里葉導(dǎo)熱現(xiàn)象進(jìn)行描述。在穩(wěn)態(tài)條件下,由于熱質(zhì)流體的空間慣性力不可忽略,將導(dǎo)致材料中的導(dǎo)熱過程偏離傅里葉導(dǎo)熱的預(yù)測(cè)。普適導(dǎo)熱方程指出穩(wěn)態(tài)非傅里葉導(dǎo)熱現(xiàn)象將隨著溫度的降低和熱流密度的增加而越發(fā)明顯。碳納米管的管徑只有幾個(gè)納米到幾十納米,在真空環(huán)境中可以承受3000K的高溫,所以碳納米管中的熱流密度可以超過1012Wm-2,可以產(chǎn)生明顯的非傅里葉導(dǎo)熱現(xiàn)象。聲子是碳納米管中熱量的主要載體,聲子的動(dòng)量守恒方程就是普適導(dǎo)熱方程,指出當(dāng)碳納米管中的熱馬赫數(shù)達(dá)到1時(shí)將出現(xiàn)熱流壅塞現(xiàn)象,即碳納米管端點(diǎn)處存在溫度階躍,并且會(huì)隨著熱流密度的增加而增加。這也是由熱質(zhì)理論首次預(yù)測(cè)的一種全新的非傅里葉導(dǎo)熱現(xiàn)象。基于熱質(zhì)理論發(fā)現(xiàn)溫度梯度或熱流可以驅(qū)動(dòng)納米顆粒的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)中存在熱流時(shí),系統(tǒng)中的熱質(zhì)進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)。在熱質(zhì)運(yùn)動(dòng)的過程中,熱質(zhì)受到物體結(jié)構(gòu)的阻礙作用,同時(shí),熱質(zhì)也會(huì)對(duì)物體產(chǎn)生推動(dòng)作用,這個(gè)力會(huì)驅(qū)動(dòng)物體向熱流方向運(yùn)動(dòng)。采用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了雙壁碳納米管的熱驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象,其中定子為內(nèi)管,兩端施加溫度梯度,動(dòng)子為外管,模擬得到的主要結(jié)論包括:動(dòng)子做勻加速運(yùn)動(dòng),只受熱驅(qū)動(dòng)力作用,阻力可以忽略;動(dòng)子和定子手性組合的不同引起不同管間勢(shì)能面形狀分布,存在最小能量軌道限制動(dòng)子運(yùn)動(dòng),即沿軸向平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)或螺旋線型運(yùn)動(dòng)其中之一,當(dāng)系統(tǒng)均溫高于某一臨界溫度,動(dòng)子可突破最小能量軌道間的勢(shì)壘;熱驅(qū)動(dòng)力的大小與系統(tǒng)平均溫度無關(guān),而隨溫度梯度的增大線性遞增;對(duì)于動(dòng)子較大的系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)力與系統(tǒng)的尺度無關(guān),動(dòng)子較小時(shí),熱驅(qū)動(dòng)力隨動(dòng)子增大而增大?；跓豳|(zhì)理論和普適導(dǎo)熱定律,提出了介電納米結(jié)構(gòu)中聲子氣的運(yùn)動(dòng)應(yīng)該受到兩種阻力的影響,其一為正比于聲子氣運(yùn)動(dòng)速度的達(dá)西阻力,其二為正比于聲子氣運(yùn)動(dòng)速度二階導(dǎo)數(shù)的布林克曼項(xiàng)。對(duì)于宏觀尺度材料,達(dá)西阻力項(xiàng)遠(yuǎn)大于布林克曼項(xiàng),此時(shí)熱導(dǎo)率不隨材料尺度變化。對(duì)于納米尺度材料,布林克曼項(xiàng)與達(dá)西阻力項(xiàng)大小在同一量級(jí)上,此時(shí)可以求解出納米材料等效熱導(dǎo)率與系統(tǒng)特征尺度的依賴關(guān)系。通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)硅納米材料中聲子氣的黏性與系統(tǒng)特征尺度成正比,從而得出了可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)納米線和納米薄膜等效熱導(dǎo)率的模型。2.3理論及其應(yīng)用2.3.1用過程溫度場(chǎng)來表征根據(jù)導(dǎo)熱、導(dǎo)電及流動(dòng)過程之間的類比性,可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱過程中,熱量在溫差作用下形成熱流,熱流大小由傅立葉定律決定;導(dǎo)電過程中,電量在電勢(shì)差的作用下形成電流,電流與電勢(shì)差的關(guān)系由歐姆定律確定;流動(dòng)過程中,流體在重力勢(shì)差的作用下形成流動(dòng),流量大小由牛頓粘性定律確定。并且,傅立葉定律、歐姆定律和牛頓粘性定律都是唯象的線性定律,其數(shù)學(xué)形式是一致的。因此,除了各個(gè)物理量所代表的意義不同外,幾乎可以把導(dǎo)熱過程、導(dǎo)電過程和流動(dòng)過程完全對(duì)應(yīng)起來。然而,在電學(xué)中存在電勢(shì)能和電勢(shì)能耗散的概念,在流體力學(xué)中存在機(jī)械能和機(jī)械能耗散的概念,而熱學(xué)中卻沒有與之相對(duì)應(yīng)的“熱勢(shì)能”和“熱勢(shì)能耗散”的概念。因此,過增元等提出了一個(gè)新物理量——,G,來表征物體(系統(tǒng))所含熱量在其溫度場(chǎng)中所具有的勢(shì)能:式中,cv,、T、M和U分別為定容比熱、溫度、質(zhì)量和內(nèi)能。導(dǎo)電過程中,伴隨著電量的輸運(yùn),存在電能的輸運(yùn);流動(dòng)過程中,伴隨著質(zhì)量的輸運(yùn),存在機(jī)械能的輸運(yùn)。與此相似,在導(dǎo)熱、對(duì)流換熱以及輻射換熱過程中,伴隨著熱量的輸運(yùn),也有的輸運(yùn)。并且,隨著熱量從高溫傳向低溫,是非守恒量,存在耗散。因此,描述了物體在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)外傳遞熱量的能力;利用可以定義不涉及熱功轉(zhuǎn)換的傳熱過程的效率:系統(tǒng)的輸出與輸入之比;對(duì)溫度的導(dǎo)數(shù)能夠反映熱量傳遞的驅(qū)動(dòng)力。同時(shí),從的角度可以表明傳熱過程是一個(gè)不可逆過程,并且可以將耗散作為傳熱過程不可逆的一個(gè)新的量度,可以獲得傳熱過程優(yōu)化的一般性方法,達(dá)到提高傳熱過程性能的目的。2.3.2最小耗散熱阻原理的傳熱技術(shù)根據(jù)導(dǎo)熱、對(duì)流換熱以及輻射換熱過程的平衡方程可以發(fā)現(xiàn):傳熱量相同時(shí),最小耗散對(duì)應(yīng)了最小傳熱溫差,即最優(yōu)的換熱性能(最小耗散原理);傳熱溫差相同時(shí),最大耗散意味著最大傳熱量,即最優(yōu)的換熱性能(最大耗散原理)。同時(shí),類比于導(dǎo)電過程中電阻的定義式,基于耗散的概念可以定義換熱過程中的耗散熱阻,Rt,其表達(dá)式為:式中,Q為換熱量,Φh為換熱過程的耗散。根據(jù)耗散熱阻,可以將不同邊界條件下的最小耗散原理和最大耗散原理統(tǒng)稱為最小耗散熱阻原理,即當(dāng)耗散熱阻最小時(shí),導(dǎo)熱過程的性能最優(yōu)。針對(duì)“體-點(diǎn)”(圖4)和太陽能集熱板等導(dǎo)熱問題,應(yīng)用最小耗散熱阻原理導(dǎo)出了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,即溫差均勻性準(zhǔn)則;針對(duì)對(duì)流換熱問題,應(yīng)用最小耗散熱阻原理導(dǎo)出了層流換熱優(yōu)化的場(chǎng)協(xié)同方程以及湍流換熱優(yōu)化的場(chǎng)協(xié)同方程。針對(duì)層流/湍流換熱過程,求解場(chǎng)協(xié)同方程獲得了換熱性能最佳的速度場(chǎng):縱向渦能夠有效優(yōu)化層流換熱,而近壁小渦則有利于優(yōu)化湍流換熱。并且,上述場(chǎng)協(xié)同方程能夠預(yù)測(cè)不同Re條件下,強(qiáng)化換熱元件的最佳幾何結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上,提出了系列對(duì)流換熱優(yōu)化技術(shù)。在此基礎(chǔ)上,通過研究發(fā)現(xiàn)根據(jù)傳熱過程不同的應(yīng)用場(chǎng)合,傳熱過程的目的可分為加熱/冷卻物體和熱功轉(zhuǎn)換兩類(如表1所示),它們具有不同的優(yōu)化目標(biāo):分別為換熱系數(shù)最大化和熱功轉(zhuǎn)換效率最大化。對(duì)于前者應(yīng)采用最小耗散熱阻原理優(yōu)化,而后者則采用最小熵產(chǎn)原理優(yōu)化。同時(shí),結(jié)合變分原理,最小耗散熱阻原理對(duì)換熱過程優(yōu)化時(shí),可以針對(duì)導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種換熱過程獲得相應(yīng)的優(yōu)化準(zhǔn)則,即:溫度梯度場(chǎng)均勻性準(zhǔn)則,場(chǎng)協(xié)同方程以及輻射勢(shì)差均勻性準(zhǔn)則。清華大學(xué)過增元教授團(tuán)隊(duì)采用場(chǎng)協(xié)同原理設(shè)計(jì)的多縱向渦流凸起管被日本大金公司在CO2熱水器上采用,可提高熱效率4.59%,并節(jié)省Cu材8%,已批量化生產(chǎn)(見圖5(a))。與國際銅業(yè)協(xié)會(huì)和萬和熱水器公司合作,開發(fā)了幾種多縱向渦傳熱強(qiáng)化翅片技術(shù),可提高燃?xì)鉄崴鳠嵝?%并節(jié)省Cu材10%(見圖5(b))。與浙江某換熱器廠家聯(lián)合研發(fā)的新型壁掛爐用不銹鋼主換熱器,節(jié)省材料成本50%,目前已小批量試生產(chǎn)中(見圖5(c))。研發(fā)的新型多縱向渦板式換熱器的性能超過國外同類產(chǎn)品(見圖5(d))。2.3.3容量流cmin的適用范圍對(duì)流任意流動(dòng)形式的間壁式兩股流換熱器內(nèi)的對(duì)流換熱過程,以換熱器內(nèi)的耗散率除以換熱量平方定義了換熱器的耗散熱阻。并且,換熱器的耗散熱阻Rh與換熱器性能(有效度ε)、熱容量流比C和較小熱容量流Cmin的關(guān)系式為:上式與換熱器的流型無關(guān),且在變傳熱系數(shù)時(shí)也成立,因此適用于不同流型換熱器的性能比較。根據(jù)換熱器的耗散熱阻與有效度之間單調(diào)關(guān)系,導(dǎo)出了換熱器性能優(yōu)化的最小耗散熱阻原理,即換熱器的耗散熱阻越小,換熱器的有效率越大,換熱性能越優(yōu)。根據(jù)最小耗散熱阻原理進(jìn)一步導(dǎo)出了換熱器優(yōu)化的溫差場(chǎng)均勻性準(zhǔn)則。另一方面,基于換熱器的耗散熱阻,并根據(jù)換熱器熱導(dǎo)、換熱器冷、熱流體的流動(dòng)形式(逆流、順流、叉流等)和流體熱容量流這三類換熱器性能的影響因素,導(dǎo)出了不同類型換熱器的耗散熱阻與換熱器熱導(dǎo)UA、流體流動(dòng)方式ξ及熱容量流之間mcp的統(tǒng)一數(shù)學(xué)關(guān)系式:2.3.4變分原理與全局優(yōu)化設(shè)計(jì)針對(duì)空調(diào)冷凍水系統(tǒng)、集中供暖系統(tǒng)和航天器熱管理系統(tǒng)等不同類型的換熱系統(tǒng),以及包含在氣體壓縮制冷和蒸汽壓縮制冷等循環(huán)中的換熱子系統(tǒng),根據(jù)換熱器的耗散熱阻以及換熱器網(wǎng)絡(luò)中泵和閥等部件的動(dòng)力和阻力特性,建立了換熱需求(溫度、換熱量等)與設(shè)計(jì)參數(shù)(換熱面積、流體流量等)之間的函數(shù)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)變分原理并結(jié)合換熱器網(wǎng)絡(luò)的幾何結(jié)構(gòu),導(dǎo)出了系統(tǒng)性能最優(yōu)(或重量最輕)時(shí),各待設(shè)計(jì)參數(shù)的函數(shù)表達(dá)式,從而將全局優(yōu)化設(shè)計(jì)問題從數(shù)學(xué)上轉(zhuǎn)化為條件極值問題,并借助拉格朗日乘子法推導(dǎo)出優(yōu)化方程組,聯(lián)立求解上述優(yōu)化方程組,直接獲得了所有待設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)配置,最終提出了基于理論的換熱器網(wǎng)絡(luò)全局優(yōu)化方法。該方法既可以用于換熱器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)(如分配各換熱器的面積),也可以用于換熱器網(wǎng)絡(luò)的變工況優(yōu)化運(yùn)行(如換熱器網(wǎng)絡(luò)中工質(zhì)流量的變工況實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)節(jié)),彌補(bǔ)了現(xiàn)有設(shè)計(jì)中只能依靠經(jīng)驗(yàn)試湊的不足。例如,清華大學(xué)開展了一系列關(guān)于數(shù)據(jù)中心和通信基站節(jié)能的相關(guān)研究,所研究的節(jié)能排熱系統(tǒng)已經(jīng)處于應(yīng)用階段。采用耗散理論對(duì)分離式熱管的方案進(jìn)行了優(yōu)化,采用分級(jí)的方式降低換熱溫差,充分利用自然冷源,減少空調(diào)系統(tǒng)能耗(圖6)。采用該方案,研發(fā)出熱管型機(jī)房排熱設(shè)備,在中國移動(dòng),以及政府機(jī)構(gòu)機(jī)房得到應(yīng)用;目前熱管型排熱方式已經(jīng)在廣州、河北、上海、山西、甘肅、貴州等省都有十分成功的應(yīng)用,取得了很好的效果,節(jié)能率在50%—75%。3熱質(zhì)理論的未來發(fā)展2010年3月中國科協(xié)舉辦了以“熱學(xué)新理論及其應(yīng)用”為主題的新觀點(diǎn)新學(xué)說學(xué)術(shù)沙龍,來自傳熱、制冷、建筑、材料等和能源有關(guān)的國內(nèi)外多位學(xué)者參加會(huì)議,對(duì)促進(jìn)該領(lǐng)域研究的發(fā)展和合作進(jìn)行了探討。2011年12日,熱科學(xué)前沿理論國際論壇(InternationalForumonFrontierTheoriesofThermalScience)在北京召開,來自中國、美國、英國、西班牙、日本、新加坡以及中國大陸和香港地區(qū)的40多名知名學(xué)者參加了論壇,圍繞熱質(zhì)理論、不可逆過程熱力學(xué)、與熵、納米系統(tǒng)與能源高效利用等主題展開深入討論。2014年4月在武漢召開了變革性重大項(xiàng)目學(xué)術(shù)研討會(huì),自工程熱物理學(xué)界的30余