制冷學術會后總結

制冷與低溫技術在國民經(jīng)濟建設和國防建設中越來越得到廣泛應用，包括在航空航天及空間探測開發(fā)、國防軍事裝備、信息技術、生命科學技術、交通和能源、科學研究、工業(yè)以及日常生活等方面，展示了制冷與低溫技術的廣泛應用和推動社會進步的巨大作用。以“制冷與低溫科學技術研究前沿”為主題的香山科學會議第240次學術研討會日前在北京召開。中國科學院理化技術研究所洪朝生院士、清華大學過增元院士、北京航空航天大學王浚院士擔任會議的執(zhí)行主席。來自制冷與低溫、工程熱物理、低溫物理以及聲學等不同學科領域的40多位專家參加了會議。會議就新型低溫制冷技術熱力學、低溫制冷技術中的流動與傳熱傳質學、低溫制冷技術中的熱動力學理論和非線性問題等中心議題進行了討論。新型低溫制冷方法、進展及展望中科院理化技術所周遠院士在'新型低溫制冷方法、進展及展望”主題評述報告中，介紹了當取得重大進展的新型制冷方法以及進一步發(fā)展所需要解決的科學問題。新型的制冷方法包括脈沖管制冷、熱聲制冷、混合工質節(jié)流制冷以及吸附式制冷等。脈沖管制冷是一種完全消除了低溫運動部件的新一代低溫制冷方法，可以較好地解決可靠性問題，在近二十年左右的時間里得到飛速發(fā)展。發(fā)展進程中，中國和中國學者做出了重要貢獻，開展了許多原創(chuàng)性的工作并取得了舉世矚目的成果。包括提出了雙向進氣流程、多路進氣流程以及雙小孔脈沖管制冷流程等發(fā)明，同時建立和發(fā)展了脈沖管制冷工作機理的熱聲理論、熱力學非對稱效應模型以及數(shù)值模擬方法，得到了國際同行的認可和贊譽。熱聲制冷則是一種應用前景更為廣闊的新型制冷方法，具有許多傳統(tǒng)制冷方法無法比擬的優(yōu)勢。我國在該領域里取得多項令人矚目的創(chuàng)新成果，包括發(fā)明并研制出了壓比高達1.3的聚能型熱聲發(fā)動機(國際上為1.2左右)、首次突破液氮的完全無運動部件的熱聲制冷機以及在冰箱制冷溫區(qū)(-20°C)COP達到1.5左右的高性能室溫行波熱聲制冷機，將會極大地推動熱聲制冷技術的全面發(fā)展和工程化進程。熱聲制冷是熱聲效應在制冷中的應用，而利用熱致聲效應則可以研制熱聲發(fā)動機或熱聲發(fā)電機?？梢灶A期，熱聲制冷技術和熱聲發(fā)動機技術將成為國際制冷界和能源界里一個競爭白熱化的重大研究前沿和熱點。為了進一步推動脈沖管制冷技術的工程化進展，特別推動具有前瞻性和戰(zhàn)略性發(fā)展地位的熱聲技術的發(fā)展，需要對基于可壓縮交變流動為基礎熱機和制冷機存在若干共性科學問題進行深入研究。最后，周遠院士提出了發(fā)展我國制冷與低溫技術的建議，包括要大力加強基礎研究、熱物理測量傳感器以及科學儀器的研制等，爭取做出原創(chuàng)性研究成果，為我國今后可持續(xù)性發(fā)展做出實質性貢獻。討論中，上海交通大學鄭平教授對脈沖管制冷機在國防軍事上的潛在應用以及交變流動傳熱研究的進展情況進行了介紹，建議對脈沖管制冷機中的回熱器，發(fā)展新的可壓縮氣體多孔介質模型；東南大學施明恒教授強調，要充分重視可再生能源在制冷與低溫技術中的應用，并提到基于微/納米固體的半導體制冷技術是一個值得注意的方向。中科院基礎局金鐸研究員強調，量子工程今后可能在信息技術方面有重大的發(fā)展和應用，而量子計算機和量子通訊這些量子技術的物理效應都是低溫下才出現(xiàn)的現(xiàn)象，它們的大規(guī)模應用將極大地取決于今后是否可方便地提供經(jīng)濟、可靠的低溫冷源。新型低溫制冷技術浙江大學陳國邦教授作了“多級低頻G-M型脈管制冷研究”的中心議題報告。介紹了多級G-M型脈沖管制冷的科學問題及其研究的主要思路，涉及的科學問題和關鍵技術包括：多級脈沖管制冷的流程及熱力學設計方法；回熱器在深低溫20K-1K）和交變流動狀態(tài)下的熱力學、流動和傳熱規(guī)律，以及提高交變低溫回熱器的科學途徑;氦在臨界區(qū)的流動傳熱規(guī)律以及低溫換熱器的強化傳熱措施;環(huán)路直流產(chǎn)生的機理、抑制措施以及脈管內熱自然對流的工作機理等；氦-3在全溫區(qū)尤其是極低溫區(qū)的基礎物性數(shù)據(jù)及熱力狀態(tài)方程。最后指出，多級脈沖管制冷目前處于快速發(fā)展和激烈競爭階段，我國在此方面已具有較好基礎，但需要繼續(xù)深入研究，才能保持先進地位，為我國的低溫技術發(fā)展做出應有的貢獻。中國科學院理化技術研究所梁驚濤研究員在'高頻脈沖管制冷研究的新進展及基礎問題”的報告中，分析了高頻脈沖管制冷在航空航天、國防軍事以及民用市場中的應用前景和研究發(fā)展趨勢;介紹了高頻脈沖管制冷研究的最新進展，包括基礎理論研究、基礎實驗研究以及應用研究三個主要方面的進展情況。中國科學院理化技術研究所李青研究員和華中科技大學郭方中教授在“熱聲現(xiàn)象、熱聲熱機和熱聲網(wǎng)絡理論”的報告中，指出了傳統(tǒng)平衡態(tài)熱力學方法在揭示新型熱機-熱聲熱機所碰到的困難和遇到的挑戰(zhàn)。介紹了將網(wǎng)絡理論應用于回熱式低溫制冷機以及熱聲熱機的思路以及回熱器無源網(wǎng)絡模型和有源網(wǎng)絡模型。闡述了發(fā)展高頻（kHz以上）微型熱聲系統(tǒng)的應用前景、面臨的學科問題以及可能采用的研究方法等。中科院理化技術所戴巍博士和浙江大學邱利民教授在“熱聲制冷研究的最新進展”的報告中，指出熱聲熱機的研究工作已從原來依賴本征熱力學不可逆性的駐波工作模式轉向了內在熱力學可逆的行波工作模式上。最近熱聲發(fā)動機效率和壓比的大幅度提高，熱驅動室溫制冷和深度低溫制冷都取得突破性的進展，熱聲系統(tǒng)微型化的研究也有較大進展。這些研究進展有許多是中國提出并實現(xiàn)的，表明中國在熱聲研究領域已處于國際前列。討論中，有的專家提出熱聲驅動的脈沖管制冷是否可用于我國許多中小油田和氣田上的“火炬”氣體的回收上。有的專家還提出，多級脈沖管制冷機是否一定要做到液氦溫區(qū)，也可以研究高效工作于20K-30K溫區(qū)的多級脈沖管制冷。新型制冷與低溫技術中的流動、傳熱和傳質學上海交通大學王如竹教授和浙江大學陳光明教授作了'熱致濃度差制冷技術中熱力學和傳熱傳質學問題”的中心議題報告，指出了熱致濃度差制冷主要包括吸附制冷和吸收制冷等形式。目前，吸附式制冷技術還處在初步的工程化研究階段，尚需解決許多技術基礎問題，包括高效的混合吸附制冷流程探索、多重吸附的工作機理以及小溫差、交變流動情況下多孔介質材料的相變傳熱傳質規(guī)律和強化傳熱措施等。吸收式制冷技術是我國少數(shù)幾個具有自主知識產(chǎn)權的普冷溫區(qū)制冷技術，但深度冷凍的吸收式制冷技術尚待進一步開展工作近來，我國學者提出了自行復疊的吸收式深度制冷流程，是一種可能獲得低溫的沒有運動部件的新型制冷方法，其科學問題包括自行復疊吸收式熱力循環(huán)過程分析、多種循環(huán)工質對的篩選等。中科院理化技術所吳劍峰研究員和公茂瓊博士作了'深冷混合工質節(jié)流制冷的若干關鍵熱物理基礎問題”的報告，介紹了深冷混合工質節(jié)流制冷的基本工作原理及其進展情況，指出了我國學者在研究深冷混合工質所做出的重要貢獻，包括采用混合工質獲得51.2K的最低溫度紀錄、提出了高效簡單的分凝分離循環(huán)流程以及在國際上澄清了一次節(jié)流循環(huán)和內部復疊循環(huán)的本征熱力學效率的優(yōu)劣問題等。上海交通大學鄭平教授作了“脈沖管制冷機中非穩(wěn)態(tài)流動和傳熱過程的基礎研究進展”報告，他指出，脈沖管制冷機是一個復雜的熱力系統(tǒng)，其研究的挑戰(zhàn)性和難點在于：可壓縮的彳主復交變流動，具有顯著的多維效應，從啟動到進入周期定態(tài)的過渡過程需要很長時間；回熱器多孔介質的嚴格局域非平衡模型沒有，缺乏彳主復流動情況下流動阻力系數(shù)和換熱系數(shù)的關聯(lián)式；系統(tǒng)存在多種尺度的流動狀態(tài)，幾何結構存在長徑比很大的部件，界面的耦合條件難于給定，等等。清華大學彭曉峰教授作了“過冷沸騰多樣性與氣泡動力學特性”的報告，介紹了沸騰過程在廣泛的領域里出現(xiàn)，是制冷與低溫技術涉及到的一個重要的傳熱過程，沸騰以其高熱流和小溫差等突出優(yōu)勢在小溫差的熱利用方面可以扮演重要角色。他還介紹了他們近期利用高速攝影和微尺度PIV手段對細絲上過冷沸騰進行的可視化實驗和相關流場的測量，發(fā)現(xiàn)了核化形態(tài)的多樣性并量化了氣泡動力學特性。初步研究表明，在相變換熱影響下的界面的Marangoni效應是泡頂射流的形成原因等。討論中，有的專家指出，天然氣將在我國的能源結構中有一個較大比例的增長，國外現(xiàn)在的大中型天然氣液化裝置以深冷混合工質節(jié)流制冷為主，我國在這方面的研究開發(fā)還剛剛開始，希望國家有關部門對此予以重視。有的專家建議，將制冷與低溫技術應用于民用客機上，以減少能耗和提高飛機的工作性能。制冷與低溫技術中的熱動力學理論和非線性問題清華大學過增元院士和李志信教授作了'傳熱過程中的場協(xié)同理論”的中心議題報告，以幾個典型的例子解釋了場協(xié)同理論的原理、應用和得到的新觀點：導熱過程（擴散過程）中的場協(xié)同理論。根據(jù)場協(xié)同理論可以得出：當導熱系數(shù)場與溫度梯度場之比處處相對時，熱傳導能力最強；對流換熱過程中的場協(xié)同理論。當速度場和溫度梯度場兩個矢量的夾角為0時，對流換熱的強度達到最大，反之，傳熱速率最小，與純導熱相同。根據(jù)這一理論，研究了一種周期性的交叉縮放橢圓管結構，可以誘導出4個（低雷諾數(shù)）或8個（高雷諾數(shù)）縱向渦，在相同單位泵功耗的情況下其傳熱強化結果比其他強化管高很多；換熱器中的場協(xié)同理論。協(xié)同場理論指出:當冷熱流體的溫差處處相同時，換熱處于協(xié)同工作狀態(tài)，此時叉流換熱器的效能可以達到逆流換熱器的效能；交變流場中制冷或者熱功轉換的場協(xié)同理論的應用，取得一些初步結論。最后指出了場協(xié)同理論與突變論的不同之處，并指出了場協(xié)同理論研究的幾個發(fā)展方向：交變流動、傳熱過程中的場協(xié)同、湍流流動換熱的場協(xié)同、熱功轉換過程場協(xié)同以及場協(xié)同設計理論的建立等。西安交通大學陶文鈴教授和何雅玲教授在'跨尺度和可壓縮交變流動與換熱中的科學問題及其現(xiàn)代數(shù)值模擬方法研究”的報告中，指出交變流動熱力系統(tǒng)是集非穩(wěn)態(tài)、可壓縮以及多尺度于一體的復雜熱流體系統(tǒng)稱，可以采用跨尺度模擬方法對其進行研究，跨尺度模擬的科學問題是：零Mach數(shù)（Ma<0.3）可壓縮交變流動的新算法;零Mach數(shù)可壓縮交變流動流態(tài)轉變的判別；^Mach數(shù)可壓縮交變流動瞬態(tài)與周期平均的流動和換熱規(guī)律研究。中科院理化技術所羅二倉研究員在“熱聲自激振蕩、非線性聲波傳輸和熱聲聲流”的報告中，介紹了熱聲熱機中三大非線性問題及其研究進展：熱致聲自激振蕩演化過程出現(xiàn)若干非線性現(xiàn)象，例如，振蕩模式的突變、熱聲滯后回路、間歇周期振蕩、鎖模、擬周期態(tài)、混沌現(xiàn)象等，它們產(chǎn)生的機理尚不十分清楚，也沒有數(shù)學物理模型描述；熱聲發(fā)動機中諧振管中的非線性傳播特性及采用特殊截面提高熱聲發(fā)動機的壓比和效率的工作機理;熱聲熱機中聲流的產(chǎn)生機理及其物理模型。進一步的問題是熱聲聲流對熱聲系統(tǒng)性能影響的定量描述以及交變湍流情況下的熱聲聲流機制和理論解決途徑。熱聲聲流的測量是理論研究的基礎，其準確測量是一個十分挑戰(zhàn)性的問題。中科院聲學研究所劉克研究員在'熱聲學中的一些非線性問題的探討”報告中，介紹了有關的非線性研究工作，包括：Rijke管內非線性熱聲振蕩的實驗研究，實驗中發(fā)現(xiàn)了半波這一顯著的非線性現(xiàn)象，同時觀察到了振幅飽和的情況；開展了Obster駐波管中聲場中次諧波飽和規(guī)律、混沌以及分岔規(guī)律的實驗研究，發(fā)現(xiàn)一些以前未曾發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。實驗初步驗證了馬大猷先生提出的駐波管聲場中的嚴格解；介紹了馬大猷先生在熱聲轉換效應所進行的一些研究工作。最后指出，熱聲學研究既是工程熱物理研究的前沿課題也是聲學研究的前沿課題，希望在今后的研究工作能夠與工程熱物理界專家一起開展這方面的研究工作，共同推進我國熱聲科學技術取得進展。(作者單位：香山會議辦公室)專家建議會議執(zhí)行主席洪朝生院士等對會議作了學術小結，概括了報告、討論和自由交流中所取得的重要科學思想和建議：研究開發(fā)新型的節(jié)能、環(huán)保低溫技術對緩解我國能源緊缺、降低環(huán)境污染具有重大的意義，而小型深低溫技術將對空間技術、超導技術、信息技術和生物技術等高新技術的發(fā)展起重要作用。我國在脈沖管制冷、熱聲制冷、深冷混合工質節(jié)流制冷以及熱致濃度差等幾種新型制冷技術方面具有很好的研究基礎，并有一支相當強的研究隊伍，可以為我國的制冷與低溫技術發(fā)展做出貢獻。脈沖管制冷和熱聲制冷技術是新型的低溫制冷技術方式，其涉及可壓縮交變流動及傳熱規(guī)律的科學問題，需要加以深入研究，其中，回熱器在高頻率、極低溫(氦-3和氫-4臨界區(qū))的交變流動特性、傳熱規(guī)律以及氣、固工作介質的物理化學特性等是研究的重點。協(xié)同場理論、跨尺度的數(shù)值模擬方法將會成為研究復雜交變流動熱機和制冷機系統(tǒng)的重要方法。熱聲熱機中的非線性研究是揭示熱聲效應工作機理和提高熱聲轉換效率的關鍵，建立系統(tǒng)的非線性熱聲動力學理論是本領域的前沿課題。開展以天然氣和煤層氣液化為對象的深冷混合工質節(jié)流制冷研究對改善我國的能源利用和降低煤礦安全事