传热学研究新领域汇总课件

单击此处编辑母版文本样式,第二级,单击此处编辑母版标题样式,传热学研究中的某些前沿问题,Some Adevances in Heat Transfer,数理学院,可再生能源科学与工程,传热学研究中的某些前沿问题,内 容 提 纲,一 当前传热学发展的重要趋势,二 非平衡传递过程,传热学研究的新领域,三 传热学与其他学科的交叉与融合,四 先进能源系统中的传热新课题,五 结束语,内 容 提 纲,一、当前传热学发展的重要趋势,一、当前传热学发展的重要趋势,传热学是一门研究由于有温度差异而引起的能量传递过程的规律及其具体应用的学科。,传热有三种在本质上互不相同的基本方式:热传导(导热)、热对流和热辐射。,传热学是一门研究由于有温度差异而引起的能量传递过程的规律及其,4,20世纪以后，传热学作为一门独立的技术学科获得迅速发展，越来越多地与热力学、流体力学、燃烧学、电磁学和机械工程学等一些学科相互渗透。,大型发电机的转子、定子绕组和定子铁心的冷却就是典型的对流传热问题。水利工程中已经研制了针对大型混凝土工程的热应力分析专用软件。多孔介质，多扎体材料中的热、质传递规律是当今传热学研究的热门课,题之,20世纪以后，传热学作为一门独立的技术学科获得,5,第四代反应堆的熔盐堆,熔盐堆的基本原理为堆芯使用Li、Be、Na、Zr等的氟化盐以及溶解的U、Pu、Th的氟化物熔融混合作为燃料，在600700和低压条件形成熔盐流直接进入热交换器进行热量交换。其中，LiF、NaF、BeF2、ZrF4为载体盐，提供熔融载体并改善共熔体的物理化学性质;UF4和PuF3为裂变燃料，产生热量和中子;ThF4和UF4为增殖燃料，吸收中子产生新的裂变燃料U或Pu，在线萃取处理后重新进入反应循环。一座熔盐反应堆生产的燃料在运行几年以后还可以重新再装备一座新的反应堆，具有极高的经济性。同时由于燃料的直接热交换方式使其具备可以小型化的优势，从而具有为舰船和航空器上提供动力的光明前景。,第四代反应堆的熔盐堆熔盐堆的基本原理为堆芯使用Li、Be、N,6,航空航天：在航空航天领域，航天飞机表面材料要求绝热良好；卫星上装有的太阳能吸收装置能提供卫星工作所需的部分能量。,生物医学：传热学广泛应用于激光手术、移植器官冷冻储存、疾病热诊断等技术中。,航空航天：在航空航天领域，航天飞机表面材料要求绝热良好；卫星,7,计算机领域近年用于高端服务器和桌面工作站的新型空气冷却装置的冷却能力也已经达到,l05w,m,2,。传热学的应用加强了芯片的散热。,太阳能、地热能、海洋能、氢燃料电池、磁流体发电乃至可控核聚变为代表的新能源等的开发和利用与传热学有着密切的联系。,计算机领域近年用于高端服务器和桌面工作站的新型空气冷却装置的,8,太阳能热泵复合热水系统,太阳能子系统主要由太阳能集热器、恒温水箱、集热水箱、集热循环泵、供水泵、集热管路部分、供水管路部分、控制系统等构成。其中控制系统一般是由传感器部分、控制器部分和执行设备组成。热泵子系统主要由压缩机、套管式换热器、膨胀阀和蒸发器等组成。,太阳能热泵复合热水系统太阳能子系统主要由太阳能集热器、恒温水,9,能源与环境问题面临着新的挑战，传热作为能源动力系统的基本过程之一，传热部件性能的优劣直接影响系统效率、安全性及可靠性。因此，国际学术前沿将传热学与其他学科进行交叉融合。同时，机械工程仍不断地向传热学提出大量新的课题。随着激光等新的实验技术的引入和计算机的应用，为传热学的发展提供了广阔前景。,能源与环境问题面临着新的挑战，传热作为能源动力系统的基本过程,10,二、非平衡传递过程,传热学研究的新领域,二、非平衡传递过程传热学研究的新领域,11,傅里叶效应,传统的经典传热即在稳态且时间无限长或非稳态热传播速度较快时满足傅里叶定律，其中隐含的条件就是热传播速度无限大的假设。,傅里叶效应传统的经典传热即在稳态且时间无限长或非稳态热传播速,12,非傅里叶效应,但是当介质在非稳态传热时遇到极端高低温条件以及微时间或空间传热时，将不再满足传统的傅里叶定律，原因就是此时的传热时间不能忽略不计了，因此出现了非傅里叶效应。它在很多工程领域可以用到，比如核反应堆及高温熔融材料泄漏的紧急处理、强激光武器反射镜的温控、造纸工业的脉冲干燥等。,非傅里叶效应但是当介质在非稳态传热时遇到极端高低温条件以及微,13,非傅里叶效应,非傅里叶定律：,要满足修正项 大，必须满足：,1.,松弛时间,大。多孔材料和生物质材料,要长很多；在低温下,将延长。,2.,要高，即在微时间尺度和高热流作用下更容易产生 非傅里叶效应,非傅里叶效应非傅里叶定律：,14,非傅里叶导热现象,表面遭受温度突变时球体内无量纲温度随无量纲时间的变化（松弛时间）,非傅里叶导热现象,15,红外测温技术的研究,在微尺度条件下对温度的测量也是现代科学比较关注的话题，传统的测温方法是通过接触测量，例如热电偶和热电阻，但对于微小物体的测量通过施加接触热阻以后会明显改变物体的温度分布，影响测量的精准度。采用非接触测温技术，如利用红外成像仪来测量微管外壁热量，可以解决以上问题。,红外测温技术的研究在微尺度条件下对温度的测量也是现代科学比较,16,红外成像仪,红外成像仪,17,红外成像仪,红外成像仪是利用被测物体表面所发出红外线的强度来感知被测物体温度大小的。红外成像仪感受物体发出红外线的强弱除受到其表面温度影响外，还受到物体的表面材质、表面状况、被测物体大小、镜头离物体距离等因素的影响。,红外成像仪红外成像仪是利用被测物体表面所发出红外线的强度来感,18,微纳米传热,微纳米传热与流动的尺度效应,表现为,：,连续流动假设不再成立，,N-S,方程和傅里叶定律被打破,支配力变化，面体比非常大，表面影响变得非常重要,微纳米传热微纳米传热与流动的尺度效应表现为：连续流动假设不再,19,尺度效应导致：,NuGr1/4变为NuGr1/3,微管长比径很大，在相同的Re时，M数增大，流动不能完全发展，Nu大大增加,表面粗糙影响大大增加,尺度效应导致：NuGr1/4变为NuGr1/3微管长比径,20,分子模拟,从分子原子水平模拟对象的微观状态与宏观性质,MC(Monte Carlo)方法,通过实现与某种特定概率相一致的系统位形的随机变化，经统计计算求得系统的热力学和理化参量，具有随机性，适用于计算状态量。,MD（Molecular Dynamics)方法,通过求解受分子间力和外加系统作用的分子牛顿运动方程，计算系统中分子的时间演进量，具有确定性，适用于计算输运量。,分子模拟从分子原子水平模拟对象的微观状态与宏观性质MC(,21,MD的基本步骤,前期处理：确定初始位置、速度和边界,根据分子间作用的势能函数和系统外加约束，求解分子间的牛顿运动方程，计算分子间作用力、速度、位置及其随时间演进的微观过程,统计计算系统的宏观参数：动能、内能、温度、压力等,MD的基本步骤前期处理：确定初始位置、速度和边界根据分子间作,22,大规模MD计算,用800016000个分子进行蒸发与凝结过程的MD计算,发现在较低温度下在边界附近存在局域热力学非平衡区。,用128个CPU处理器进行106个氩分子流体气泡成核过程的大型并行计算,首次揭示了均质核沸腾中，气泡是由过热液体中密度涨落形成的低密度气核逐渐生长形成的,。,大规模MD计算用800016000个分子进行蒸发与凝结过程,23,微尺度热输运,自激震荡流热管,微尺度热输运自激震荡流热管,24,微型热驱动,微型热驱动,25,三 传热学与其他学科的交叉与融合,三 传热学与其他学科的交叉与融合,26,微尺度医学工程,揭示了温度对生命活动的作用规律以及其他物理因素（电、磁、声、光）对热的协同作用。,生物工程的多尺度热效应,纳 米：分子与磁性颗粒,5-100nm,微 米：细胞,5-20,m,宏观,:,肿瘤等,20mm,癌症的冷热交替疗法,微尺度医学工程,27,纳米药物与热分子马达,当药物颗粒,100mm,时，可提高靶效率,用热分子驱动马达（,10nm,）驱动蛋白，血管清道夫将纳米颗粒绑在,DNA,的特定部位，用电磁场控制其局部温度和生殖过程,纳米药物与热分子马达,28,与生物医学的其他交叉,活体保存与移植,生物质材料干燥与超临界萃取,环境污染与人体健康,与生物医学的其他交叉,29,与材料科学的交叉,-,金属快速凝固法,枪法工作原理如右图所示。,枪法,-,由于熔滴的速度很高，像子弹一样，所以被称为枪法。,工艺适用性：,适用于中性或不易氧化金属的快速凝固,。,模冷技术,-,“枪法”,与材料科学的交叉-金属快速凝固法枪法工作原理如右图所示。枪,30,模冷技术,-,双活塞法,双活塞法工作原理如右图所示。,小于,1g,的母合金在感应器,1,中加热融化，熔滴,2,下落；当熔滴,2,挡住光电管的光束时，光点线路启动纯铜双活塞相对运动的驱动装置，使活塞迅速收合，挤压熔滴，使之凝固成薄片。,模冷技术-双活塞法双活塞法工作原理如右图所示。小于1g的母合,31,模冷技术,-,熔体旋转法,熔体旋转法工作原理如右图所示。,工艺适用性：适用于中等活性或者是不易氧化的金属。,熔体旋转工艺的发展：,双辊熔体旋转法；,真空熔体旋转法；,离心熔体旋转法；,旋转翼急冷淬火法。,模冷技术-熔体旋转法熔体旋转法工作原理如右图所示。工艺适用性,32,与材料科学的交叉,-,热电材料,概念：,热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，,1823,年发现的塞贝克效应和,1834,年发现的帕尔帖效应为热电能量转换器和热电制冷的应用提供了理论依据。,材料分类,(1),碲化铋及其合金：这是被广为使用于热电致冷器的材料，其最佳运作温度,450,。,(2),碲化铅及其合金：这是被广为使用于热电产生器的材料，其最佳运作温度大约为,1000,。,(3),硅锗合金：此类材料亦常应用于热电产生器,其最佳运作温度大约为,1300,。,与材料科学的交叉-热电材料概念：热电材料是一种能将热能和电能,33,与信息科学的交叉,-,纳米计算机,概念：,微型发动机,，,纳米发动机从各角度来量都不超过,1,微米，很适合在人体细胞内工作。,应用：,纳米发动机是第一款能控制药物释放的机器,，,这有助于促进药物递送、细胞间通讯的研究。此外，纳米发动机有望进入纳米电子机械系统,(NEMS),领域，将机械控制与化学传感整合在一起，开发能效更高、物美价廉的微机设备。,与信息科学的交叉-纳米计算机概念：,34,与信息科学的交叉,-,纳米计算机,概念：,微型,换热器，,微型换热器及微型散热器是体积小、单位体积换热面积大的一种超紧凑式换热器，与普通换热器相比，微型换热器的主要特点 在于单位体积 内的换 热面积很大，相应地，其单位体积传热系数高达几十到几百,MW,(3mK),，比普通换热器要高,12,个数量级。,应用：,微型换热器,在微电子、航空航天、医疗、化学生物工程、材料科学、高温超导体的冷却、薄膜沉积中的热控制、强激光镜的冷却，以及其他一些对换热设备的尺寸和重量有特殊要求的场合中有重要的应用前景。,与信息科学的交叉-纳米计算机概念：,35,与信息科学的交叉,-,纳米计算机,概念：,微型反应器又被称为微型加氢反应器，微型磁力高压反应器。具有耐高温、耐腐蚀、生产能力强等优点，它适用于进行,化学反应,时，需要同时测定温度，添加惰性气体,压力，,PH,值，电导，氧化还原电位的精密化学反应的实验，适用于进行化学反应时，需要同时测定温度，添加,惰性气体,压力，,PH,值，电导，氧化还原电位的精密化学反应的实验。,应用：,微型,反应器，,广泛用于医药、饮料、化工、颜料、树脂、科研等工业部门。,与信息科学的交叉-纳米计算机概念：,36,四、先进能源系统中的传热新课题,四、先进能源系统中的传热新课题,能否实现能源可持续发展的一个关键因素是可持续能源的综合利用和合理开发，以下介绍,2,个新课题。,能否实现能源可持续发展的一个关键因素是可持续能源的综合利用和,燃料电池,PART 1,燃料电池PART 1,燃料电池,发电装置,燃料和氧化剂贮存在电