1.研究背景

换热设备广泛应用于化工、能源、冶金、航空航天等行业，其在使用过程中存在效率不高，温度不均、体积重量过大等问题。如何提高其换热效率是国内外研究者所面临的核心技术难题和主要研发方向。强化传热是指采用一定的技术手段增加热传递过程的传热量，从而提高换热设备的利用率，实现节能环保、保护高温部件、降低成本等目标。从强化的传热过程来看，主要有强化单相对流传热过程、强化导热过程和强化相变传热过程等。对于单相对流传热过程，引入强化传热元件，在管内实现低阻的多涡纵向旋流，不仅可以提高换热管性能，还可以降低管壁温度不均匀性，但如何指导设计高效的强化传热元件仍是亟需解决的问题。对于导热过程，通过多组分掺杂以提高复合材料导热性能是目前研究的热点方向，但其中具体作用机理及影响因素仍不十分清楚，需要在微观机理层面进一步解释研究。而对于相变传热过程，微型电子器件散热领域要求设备具有效率高、噪声低、灵活性好等特点，纳米孔膜反渗透效应可实现热能从低温热源处向高温热源的主动输运，为散热器件的研究提供了新的思路。总之，不同应用场合对强化传热的具体要求也各不相同，根据应用场景，选择针对性的强化传热方法，是先进强化传热理论与技术的研究目标。

2.主要研究内容

（1）非均匀高热流集热管内强化传热研究

非均匀高热流吸热管是一种典型的能量传递部件，强化其管内流动传热性能不仅有助于减小壁面温度不均以保证传热安全，还可以提高能量传递效率。本研究提出了三种弯扭挡板强化传热元件，如图1所示。管内流动工质为Sytherm-800导热油，流动雷诺数在10000至90000之间，工质进口温度400K。

在雷诺数为10000时，强化管横截面速度矢量分布如图2所示。A1型和A2型在横截面内产生一对涡，A3型产生两对涡，且A3型产生的横截面速度分量小于A1型和A2型。特别地，A1型可以更好地引导流体冲击圆管底部高热流区域。本研究提出描述局部热对流性能的无量纲参数(Lu)，其定义为

     , 其中                                    （1）    

由于A1型强化集热管将流体引导至底部区域，增大了底部区域的速度大小和场协同性能，底部区域热对流强度较大，这有利于降低底部高热流壁面的温度。相比A0型传统光滑管，强化管的壁面温度均降低。特别地，A1型强化集热管底部壁面温度最低。

在雷诺数为10000至90000时，弯扭挡板的强化传热性能如图3所示。图3a 展示了弯扭挡板的换热性能，Nu是光滑传统集热管的1.41-1.95倍；图3b 展示了弯扭挡板的阻力性能，f是光滑传统集热管的9.39-13.95倍；图3c 展示了弯扭挡板对减小壁面温度分布不均的影响，圆管上下两半壁面的平均温差(Ttpm-Tbpm)相比光滑传统集热管降低了46.6%-66.0%。该工作发表在 Renewable Energy 上。

图1. 弯扭挡板强化传热元件

图2. 管横截面内速度分布对比

图3. (a) 换热性能对比，(b) 阻力性能对比，(c) 圆管上下两半壁面的平均温差

（2）电声耦合对聚合物-金属复合材料热导率的影响

电声耦合是金属中热输运的重要机制，之前的研究多集中在激光加工金属的过程中，但是随着空间尺度的减小，电声耦合对纳米尺度下材料中热输运的研究还不清楚，有必要进行研究。我们以聚乙烯-铜复合材料为模型，如图4所示，将非平衡态分子动力学模拟和双温度模型结合，探究了填料长度和电声耦合强度对聚合物复合材料热导率的影响。

图4 聚乙烯-铜复合材料计算模型

将PE-Cu体系内的电声非平衡长度和体系的特征长度之比定义为电声非平衡特征参数，表征PE-Cu体系的电声非平衡程度，并对比了不同电声非平衡程度下PE-Cu的热导率。图5是长度分别为9.8 nm和69.83 nm的PE-Cu在达到非平衡稳态时的计算结果。可见，随着填料长度的增加，PE-Cu体系达到非平衡稳态时的热流逐渐增大，温度梯度逐渐减小，热导率逐渐增大。这是因为随着填料长度的增加，电子和声子可以从非平衡逐渐过渡到平衡。

采用图6所示的等效热阻网络图，可以更清楚地理解背后的物理机制。聚乙烯-铜复合材料总的热阻由3部分组成：

                           (2)

其中R_In是声子-声子散射和声子-缺陷散射导致的热阻，R_Non是由于电子的非局域效应导致的热阻，R_EPN是电子和声子存在非平衡导致的热阻。增加填料的长度同时减弱了电子的非局域效应和电子与声子间的非平衡效应，因此有效提高了聚乙烯-铜的热导率。该工作发表在 The Journal of Physical Chemistry C 上。

图5. (a)不同电声非平衡程度下，PE-Cu的能量累积随时间的变化，(b)不同电声非平衡程度下，PE-Cu的稳态温度分布，(c)铜的电子和声子温度分布，(d)不同电声非平衡程度下，达到非平衡稳态时，聚乙烯-铜的热流、温度梯度和热导率

图6 聚乙烯-铜复合材料的等效热阻网络图

（3）基于微纳疏水多孔介质内液压驱动的相变传质传热机理研究

近年研究表明，基于纳米疏水孔膜的热渗透效应可将热能高效地转换为水压能。受此启发，我们理论研究了一种基于纳米孔膜反渗透效应的新型热泵，其可在水压的驱动下，实现热能从低温热源处向高温热源的主动输运。相比于传统蒸汽压缩型热泵，该类型热泵可具有效率高、噪声低、灵活性好的特点，从而在热能利用和电子器件散热领域具有广阔应用前景。本研究采取的研究方法为经典分子动力学。如图7所示，该热泵系统依靠疏水膜和蒸汽间隙来分隔两个液体区域，对其中一侧液体施加液压，以克服热渗透效应所产生的等效水压，则工作流体会从该侧蒸发，并在另一侧冷凝，从而实现热量和质量的主动输运。

图7.（a）纳米孔膜中的反热渗透模拟示意图。工作流体是水，膜为纳米多孔石墨烯（NPG），活塞和壁面为铜，工作压力被均匀地施加在活塞上。（b）纳米孔膜的俯视图，其孔径约为0.8 nm。

该系统在不同温度和压力条件下的传热传质速率如图8所示，结果表明，和预测一致，其传热传质通量随工作压力而线性增加，这是因为传质的驱动力是两侧的蒸气压差，而根据开尔文方程，这个蒸气压差随工作压力近似线性变化。另外，由于热量的传递主要依靠于相变，因此热通量同样随工作压力而线性变化。

图8. 该系统在不同模拟条件下的质量通量和热通量

本研究还发现，虽然该过程的热通量与质量通量成线性相关，但其比率仅为1.667  kJ/g，远低于水的标准气化焓。如图9所示，纳米视图表明，相变焓降低的机理应该是纳米多孔石墨膜上的水能够以团簇的形式进行不完全蒸发。液体和冰中水的微观结构是通过氢键网络连接的团簇，这在水的动力学中起着重要的作用。近年实验研究表明，以水凝胶为固体骨架的海水蒸馏过程中，可能存在团簇蒸发效应。在这项理论研究工作中，我们发现纳米多孔石墨烯上也可能发生团簇蒸发现象。

图9. 水分子团簇蒸发的过程视图

通过分子动力学模拟理论研究了纳米多孔石墨烯膜体系下的反热渗透过程。该效应可以通过液压驱动力实现热量和质量的主动高效输运。当温升为5 K时，该纳米体系可实现6.2±1.0 kW/cm²的超高热通量和20.2的COP。另外还发现，纳米多孔石墨烯膜表面可发生水的团簇蒸发，并降低该过程的相变焓。本研究表明，反热渗效应在热泵、水淡化、蒸汽生产和器件散热等应用领域具有广泛的发展潜力。该工作发表在The Journal of Physical Chemistry Letters上。

3.主要创新点和贡献

在非均匀高热流集热管中，引入弯扭挡板强化传热元件，研究了不同结构强化传热元件对集热管换热性能的影响；采用聚乙烯-铜复合材料为模型，通过分子动力学模拟方法，研究了电声耦合对聚合物-金属复合材料热导率的影响；提出了一种基于纳米孔膜反渗透效应的新型热泵，其可在水压的驱动下，实现热能从低温热源处向高温热源的主动输运。

（1）在非均匀高热流的太阳能集热管内提出了新型弯扭挡板强化传热元件。数值模拟研究，弯扭挡板可以在管内实现低阻的多涡纵向旋流，不仅可以降低管壁温度不均匀性，还可以提高集热管集热性能。我们首次提出纵向旋流冲击冷却方法，用于冷却局部高温壁面；还利用局部热对流数(Lu)直观描述了管内局部热对流性能。研究结果表明，强化管的局部热对流性能明显改善，换热性能Nu是光滑管的1.41-1.95倍，阻力性能f是光滑管的9.39-13.95倍，强化管上下两半壁面的平均温差相比光滑管降低了46.6%-66.0%。

（2）通过将非平衡态分子动力学模拟和双温度模型结合，我们以聚乙烯-铜复合材料为模型，探究了电声耦合对聚合物复合材料热导率的影响。我们发现，当模拟体系中含有金属且金属的长度接近电声非平衡长度时，使用经典的MD模拟会严重低估复合材料的热导率，原因是忽略了金属中电子热导率的贡献。正确的做法是，将NEMD模拟和双温度模型结合起来使用。并且我们提出了一个量化模拟体系电声非平衡程度的无量纲参数Θ，发现模拟体系热导率与Θ呈负相关的变化规律。我们还探究了电声耦合强度对聚乙烯-铜复合材料热导率的影响。发现电声耦合越强，越有利于提高聚合物复合材料的热导率，这是因为低频和中频声子对热导率的贡献增加了。

（3）通过对纳米多孔石墨烯膜反热渗透过程的研究，提出了一种基于纳米孔膜反渗透效应的新型热泵，相比于传统蒸汽压缩型热泵，该类型热泵具有效率高、噪声低、灵活性好的特点。同时，从微观尺度出发，提出纳米多孔石墨膜上的水分子能够以团簇的形式进行不完全蒸发是相变焓降低的原因。这一研究，发现了纳米多孔石墨烯上发生的团簇蒸发现象，给新型热泵的开发与设计提供了新思路、新方案，同时也指出了反渗透效应在热泵、水淡化、蒸汽生产和器件散热等的应用领域的发展潜力。

4.重要论著及专利