來源：Applied Thermal Engineering
原文：https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.116947
1957年秋，也就是中國交通大學(xué)從上海遷往西安的第二年，我考入了交通大學(xué)。1962年夏，我從西安交通大學(xué)動力機(jī)械制造工程系畢業(yè)。我很幸運(yùn)地被錄取為研究生，在楊世銘教授的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)熱傳遞(HT)，楊教授于1953年，在美國芝加哥伊利諾伊理工學(xué)院雅各布教授指導(dǎo)下獲得博士學(xué)位。1966年底，我獲得了研究生畢業(yè)證書，并加入了西安交大的教師隊(duì)伍。1980年10月至1982年12月，我有幸作為訪問學(xué)者在美國明尼蘇達(dá)大學(xué)傳熱實(shí)驗(yàn)室與E. M. Sparrow教授一起工作。我于1983年初回國，此后一直在西安交大工作。作為HT和流體流動(FF)的教授和研究員，我在這一學(xué)科工作了50多年。我的主要研究方向是數(shù)值傳熱和增強(qiáng)對流傳熱。
02 26個課題的研究經(jīng)驗(yàn)
1.符號保存原則
對流項(xiàng)的離散化方法是有限體積法中的一個重要問題。穩(wěn)定是主要挑戰(zhàn)之一。對于穩(wěn)定格式，無論網(wǎng)格步長和速度有多大，數(shù)值解都是穩(wěn)定的，而條件穩(wěn)定格式可能導(dǎo)致數(shù)值解振蕩。到1987年為止，已經(jīng)提出了幾種分析方案穩(wěn)定性的方法。然而，沒有人可以應(yīng)用于分析所有現(xiàn)有的方案。基于物理考慮，提出了符號保存原則。其基本思想是:利用所研究的方法對一維瞬態(tài)擴(kuò)散對流方程的對流項(xiàng)進(jìn)行離散化，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分(CD)進(jìn)行離散化。從物理角度考慮，下一時刻點(diǎn)i和時刻點(diǎn)n相鄰點(diǎn)處記原始擾動記為
在相鄰兩個點(diǎn)處的誘導(dǎo)值記為
因此應(yīng)滿足以下條件:
的符號應(yīng)與原始擾動相同。而使上述不等式成立的條件可以確定該格式的臨界佩萊特數(shù)，超過該格式的數(shù)值解將振蕩。這是一個非常簡單且具有物理意義的要求。利用這一原理可以充分分析所有現(xiàn)有方案的穩(wěn)定性，無一例外。
2.從SCSD到構(gòu)建新方案的一般方式
在上世紀(jì)末本世紀(jì)初，我們開始關(guān)注方案的構(gòu)建，并提出了SCSD和SGSD，后者具有二階精度且無條件穩(wěn)定，偽擴(kuò)散影響較小。開發(fā)過程中，提出了一個問題：現(xiàn)有的對流項(xiàng)格式都是單獨(dú)提出的。在FVM框架下是否有統(tǒng)一的方法來構(gòu)造方案?在文獻(xiàn)中成功地解決了這個問題，提出了FVM中構(gòu)造方案的一般方法，現(xiàn)有的所有方案都可以由該方法導(dǎo)出。當(dāng)時方案構(gòu)建的另一個問題是方案能否同時具有絕對穩(wěn)定性和高精度。當(dāng)時的主流觀點(diǎn)是，一個方案有兩個特點(diǎn)是矛盾的，低階格式可以是絕對穩(wěn)定的，而高階格式只能是條件穩(wěn)定的。但事實(shí)并非如此。文獻(xiàn)中已經(jīng)證明，一旦一種方案的插值系數(shù)能夠滿足某些條件，則一種方案可以同時是絕對穩(wěn)定的，且精度大于2階。
3.改進(jìn)的對流有界性判據(jù)
有界性是方案構(gòu)造中的另一個問題。如果數(shù)值解不超過或低于物理過程固有的控制值，則所采用的對流格式稱為具有對流有界性。較為著名的判據(jù)是對流有界條件(CBC)的Gaskell-Lau判據(jù)。這個CBC被認(rèn)為是充分和必要的。研究首先指出這種CBC是不必要的，提出了一種新的有界方案，該方案不滿足G-L CBC所需的條件。后來的例子表明，滿足G-L CBC的方案可能導(dǎo)致物理上不合理的解，并提出了一種改進(jìn)判據(jù)。有趣的是，其他作者在沒有意識到這種改進(jìn)的CBC的情況下提出的一些新方案自動實(shí)現(xiàn)了這種改進(jìn)的CBC?，F(xiàn)有的所有保有界方案都滿足這種改進(jìn)的CBC。
4.CLEAR-IDEAL算法耦合速度和壓力
對于不可壓縮流體流動的數(shù)值求解，SIMPLE算法得到了廣泛的應(yīng)用。它是半隱式的，因?yàn)楫?dāng)確定一個速度的修正時，它的鄰近點(diǎn)的影響完全被忽略。這種半隱式特征影響了收斂速度和魯棒性，自1972年SIMPLE算法提出以來，出現(xiàn)了許多變體。然而，所有這些簡單族算法都不能完全克服半隱式特征。關(guān)鍵是在SIMPLE-family算法中，速度是通過在中間修正中添加一個小修正來更新的。CLEAR算法在文獻(xiàn)中提出，該算法通過動量方程重新求解更新后的速度，而不是添加一個小的修正。大大提高了算法的收斂速度和魯棒性。后來在中，在CLEAR算法的基礎(chǔ)上發(fā)明了IDEAL算法，其中執(zhí)行多個雙重內(nèi)部迭代(一次針對壓力，另一次針對速度)。算法的收斂速度和魯棒性得到了顯著提高。
5.存在再循環(huán)流時的出口邊界條件處理
對于開放系統(tǒng)中N-S方程的數(shù)值求解，在如何確定出口邊界的問題上存在爭議。一個重要的觀點(diǎn)是，出口邊界應(yīng)該定位在沒有再循環(huán)流動的地方，否則數(shù)值解將沒有意義。這種方法不僅需要較大的計(jì)算空間，而且有時難以實(shí)現(xiàn)。在電視屏幕從爐膛取出后的冷卻過程這一實(shí)際工程問題的刺激下，我們提出了一種處理這種情況的實(shí)用方法:出口邊界可以定位在需要的任何位置，垂直于出口邊界的速度分量由局部質(zhì)量守恒決定，平行于出口邊界的速度分量由垂直于出口邊界的零階導(dǎo)數(shù)決定。然后用解域中的總質(zhì)量守恒條件來修正出口處的局部法向速度。我們將不同數(shù)值處理的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)所提出方法的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，而其他方法的數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在質(zhì)的差異。
6.流體孤島的數(shù)值計(jì)算技術(shù)
在二維流場和傳熱的模擬中，經(jīng)常會遇到與邊界沒有任何聯(lián)系的孤島位于場中。共軛法是將流體區(qū)和固體區(qū)同時求解的一種有效方法，將賣區(qū)視為一種特殊的高粘度流體。如何用這種共軛方法處理這樣的孤島，困擾了我們團(tuán)隊(duì)好幾年。最后計(jì)算出數(shù)值細(xì)節(jié)如下:(1)在每次迭代時，將孤島上的u0、v0初始值設(shè)置為零;(2)通過設(shè)置動量方程主對角線元素的很大系數(shù)，使島中的u*、v*為零;(3)通過對系數(shù)d設(shè)置很小的值，使u '、v '接近于零;(4)將島內(nèi)接近于零的速度傳遞到邊界，每次迭代時設(shè)置擴(kuò)散系數(shù)很大，采用調(diào)和平均進(jìn)行界面插值。
7.附加源項(xiàng)方法及其應(yīng)用
第一類邊界條件是數(shù)值模擬的最有利條件。對于第二種和第三種邊界條件，可以使用所謂的附加源項(xiàng)方法(ASTM)，其中在邊界處傳遞的能量被視為與邊界相鄰的第一個控制體的內(nèi)部源。添加此附加源項(xiàng)后，邊界相鄰控制體與邊界的連接可以完全切斷，求解代數(shù)方程時，該邊界可視為第一類邊界。這是一種非常有效的數(shù)值處理方法，可以節(jié)省可觀的計(jì)算時間。文獻(xiàn)中介紹了ASTM，并為其合理性提供了一個推導(dǎo)過程。此外，該方法在許多實(shí)際問題中得到了應(yīng)用。在文獻(xiàn)中，ASTM用于處理制冷室不同表面之間的表面輻射；中采用ASTM數(shù)值方法確定了開槽翅片效率；中采用該數(shù)值方法求解了共軛單、雙殼體內(nèi)的自然對流。
8.一些網(wǎng)格生成技術(shù)的研究
為了克服FVM最嚴(yán)重的缺點(diǎn)，不規(guī)則域網(wǎng)格生成方法的研究在20世紀(jì)80年代到90年代引起了很大的研究興趣。我們團(tuán)隊(duì)的工作包括以下內(nèi)容。首先在教材的第2版中，專門安排了一整章詳細(xì)介紹了體擬坐標(biāo)(body- fitting coordinates, BFC)的方法。結(jié)果表明，在眾多HT和FF數(shù)值模擬教材中，中給出BFC內(nèi)容最為詳細(xì)。文獻(xiàn)提出了一種二維Delaunay三角形網(wǎng)格自動生成方法。采用多曲面法生成截面均勻、發(fā)散和收斂的扭曲方形風(fēng)管網(wǎng)格。提出了一種生成各向異性三角形的方法，不同方向的拉伸量差異很大。通過所提出的方法，生成的三角形的縱橫比可達(dá)2000。這種網(wǎng)格對于紊流邊界層的流動計(jì)算是非常有用的。
9.VOSET-一種有效的相位界面捕獲方法
沸騰傳熱的基本特征是蒸汽泡從表面產(chǎn)生、生長和離開。界面捕獲法是模擬氣泡行為的方法之一。在幾種界面捕獲方法中，流體體積法和水平集法應(yīng)用最為廣泛。VOF和水平集各有優(yōu)缺點(diǎn)，相互補(bǔ)償:VOF能保證質(zhì)量守恒，但不能得到精確的界面曲率，而Level Set剛好相反。因此，發(fā)展聯(lián)合辦學(xué)成為必然趨勢。但這種結(jié)合不應(yīng)該是簡單地把兩種方法放在一起。我們提出了一種有效的組合方法VOSET:用VOF來確定氣泡質(zhì)量，用Level Set來計(jì)算界面曲率;此外，曲率是由幾何方法確定的，而不是通過求解微分方程。從而大大提高了界面捕獲的效率和精度。VOSET也成功地擴(kuò)展到3D情況。它現(xiàn)在在解決工程問題中得到了廣泛的應(yīng)用。
10.用LBM模擬成核沸騰和薄膜凝結(jié)
界面捕獲法模擬沸騰傳熱的一個缺點(diǎn)是必須先驗(yàn)地設(shè)置蒸汽核作為其起點(diǎn)。只有中尺度和微觀尺度的數(shù)值方法才能模擬氣態(tài)氣泡的生成過程。我們團(tuán)隊(duì)通過LBM對此進(jìn)行了一些調(diào)查。提出了結(jié)合共軛傳熱處理的三維多松弛時間(MRT)相變晶格玻爾茲曼方法，在不引入任何人為干擾的情況下模擬粗糙表面的成核。發(fā)現(xiàn)表面空腔形狀對成核過程有顯著影響。中液體密度與氣體密度之比為17。中，通過在P-R狀態(tài)方程中使用較小的系數(shù)值，將液氣密度比擴(kuò)展到200。當(dāng)然，這一比例仍遠(yuǎn)低于實(shí)用價值。例如，大氣中的水的這個比值是1600。留了一個大房間供進(jìn)一步改進(jìn)。此外，LBM在中也研究了不凝性氣體的膜狀冷凝HT。
11.兩類多尺度模擬
進(jìn)入21世紀(jì)，多尺度模擬成為國際數(shù)值模擬界的研究熱點(diǎn)。然而，當(dāng)我們仔細(xì)研究需要多尺度模擬的案例時，我們發(fā)現(xiàn)不同的研究人員對多尺度問題的含義有不同的理解。從數(shù)值模擬的角度來看，我們發(fā)現(xiàn)有必要將多尺度問題分為兩類:多尺度過程和多尺度系統(tǒng)。對于多尺度過程，不同區(qū)域有不同的控制方程和數(shù)值方法。數(shù)值解應(yīng)在界面處耦合。對于多尺度系統(tǒng):在不同區(qū)域使用相同的控制方程和相同的數(shù)值方法。區(qū)別在于網(wǎng)格步長。兩個典型的例子分別是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)中的傳輸過程和數(shù)據(jù)中心中的傳熱。據(jù)筆者所知，目前文獻(xiàn)中所研究的多尺度換熱問題均可分為這兩類。
12.FVM/LBM/DSMC/MDS之間的耦合方法
對于多尺度過程，不同數(shù)值方法下不同區(qū)域界面處解的耦合成為一個重要問題。不同區(qū)域采用納米尺度、微/中尺度和宏觀尺度的方法，在界面處交換溶液，得到整個全溶液。相鄰區(qū)域界面處的數(shù)值解(信息)交換可以用兩個運(yùn)算符在數(shù)學(xué)上表示:
其中Φ和?分別是宏觀參數(shù)(如速度)和介觀或微觀參數(shù)(如LBM中的分布函數(shù))，C和R分別是壓縮和重構(gòu)算子。運(yùn)算符C很容易定義，比如用不同平均方法，但算子R很難構(gòu)造，因?yàn)樵谶@里，來自一個解區(qū)域的較少信息(例如FVM中某一點(diǎn)的速度)應(yīng)該轉(zhuǎn)換為鄰近區(qū)域的更多信息(例如LBM中的密度分布函數(shù))。對于FVM解與LBM解的耦合，我們的團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)中提出了成功的重構(gòu)算子。在多尺度原子連續(xù)體方法中，由于原子區(qū)域的非均勻性，周期邊界條件不再適用。為了在保持MD系統(tǒng)正確的平均壓力的同時擺脫MD模擬區(qū)域邊界處的周期性條件，需要在邊界附近的原子上施加一個邊界力。文獻(xiàn)中提出了確定這種力的方程。FVM與DSMC之間的耦合研究。
13.編織復(fù)合材料的熱導(dǎo)率測定
以編織織物為增強(qiáng)相，在合適的基體中制備編織復(fù)合材料，具有重量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車等領(lǐng)域。在編織復(fù)合材料等廣泛應(yīng)用的增強(qiáng)纖維材料中，碳纖維的軸向和橫向熱導(dǎo)率各向異性比較嚴(yán)重，其有效熱導(dǎo)率的測定是一個很大的挑戰(zhàn)。在適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件下，研究了三維四向編織復(fù)合材料在中觀尺度(編織紗線)和宏觀尺度(復(fù)合材料)上的熱傳導(dǎo)特性?？紤]了不同形狀的編織紗線橫截面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該模型的正確性。在中，對平紋編織復(fù)合材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了數(shù)值預(yù)測。利用復(fù)合材料的平動對稱、反射對稱和旋轉(zhuǎn)對稱三種不同的對稱構(gòu)造了三種縮小尺寸的單元胞，并推導(dǎo)和驗(yàn)證了相應(yīng)的熱邊界條件。
14.柱間對流傳熱的影響
現(xiàn)在讓我們對加強(qiáng)傳熱的研究作一些總結(jié)。強(qiáng)化傳熱是高溫研究中一個永恒的課題。1959年春，楊世銘教授為我們開設(shè)了HT課程，他在課程一開始就強(qiáng)調(diào)HT增強(qiáng)是HT研究的主要任務(wù)之一。板翅管式高溫表面被廣泛用于增強(qiáng)氣側(cè)高溫。從幾何角度看，板翅管換熱面與普通風(fēng)管相比的主要特點(diǎn)是存在壁筒。盡管已經(jīng)對不同類型的板翅管高溫表面進(jìn)行了大量的研究，但沒有人聲稱壁筒對高溫的影響。該研究在中采用萘升華法進(jìn)行。研究發(fā)現(xiàn)，壁面圓筒起到了湍流促進(jìn)劑的作用。它可以顯著增強(qiáng)低雷諾數(shù)區(qū)域的高溫。而壁面圓筒的存在也使得層流向湍流的過渡時間提前。
15.我們對現(xiàn)場協(xié)同原理(FSP)發(fā)展的貢獻(xiàn)
盡管對高溫增強(qiáng)的研究已經(jīng)進(jìn)行了一個多世紀(jì)，但直到上世紀(jì)末，對流高溫增強(qiáng)的基本機(jī)制仍不清楚。Guo提出了基于板上層流不可壓縮邊界層(拋物線流)的高溫場協(xié)同原理(field synergy principle, FSP)，認(rèn)為提高速度和流體溫度梯度之間的協(xié)同作用是其基本機(jī)制(由兩個矢量之間的夾角表示)。后來FSP擴(kuò)展到橢圓流、可壓縮雙曲流和湍流高溫流。此外，還表明FSP可以統(tǒng)一現(xiàn)有的增強(qiáng)單相對流高溫的機(jī)制。對于渦發(fā)生器等復(fù)雜的增強(qiáng)技術(shù)，也揭示了提高速度和溫度梯度之間的協(xié)同作用是其基本機(jī)理。我們還通過數(shù)值算例揭示了FSP和熵理論對一些增強(qiáng)技術(shù)的評價結(jié)果是完全一致的。FSP被用來指導(dǎo)新的增強(qiáng)技術(shù)的發(fā)展，如前稀疏-實(shí)密集狹縫鰭面。
16.管內(nèi)氣、水傳熱增強(qiáng)
當(dāng)空氣和水是兩種高溫介質(zhì)時，通常將空氣設(shè)置在管外，在那里可以使用一個大房間來開發(fā)翅片表面。但由于結(jié)構(gòu)上的要求，有時會在管外設(shè)置冷卻水，使其在管內(nèi)橫向流動，熱空氣進(jìn)入管內(nèi)。為了增強(qiáng)空氣側(cè)高溫，可以采用縱翅片。為了固定鰭片，通常在管中同軸地設(shè)置一根小管，并在兩管的環(huán)形空間之間設(shè)置鰭片表面。這種換熱器在一些壓縮機(jī)中用作氣體冷卻器。在管道HT和摩擦系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測量中，我們進(jìn)行了兩種變化，一種是內(nèi)管堵塞，即沒有空氣流過，另一種是內(nèi)管不堵塞。令我們驚訝的是，在一定的外徑與內(nèi)徑之比范圍內(nèi)，同樣流速下，中心阻塞管的高溫速率明顯大于未阻塞管，這就是我們所說的內(nèi)翅片縱波狀翅片中心阻塞管。隨后，我們對高溫和FF進(jìn)行了數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)中心阻塞管優(yōu)越的高溫性能是由于外管速度梯度的增加導(dǎo)致協(xié)同作用的明顯改善。此外，我們根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)中關(guān)于水在微鰭管中流動的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對Gnielinski方程進(jìn)行了推廣，確定了湍流平均高溫系數(shù)。
17.微型微管中的傳熱和流體流動
歷史上，不同作者對微通道摩擦系數(shù)和努塞爾數(shù)的測量結(jié)果存在著嚴(yán)重的差異和偏差。隨著制作方法、測量和數(shù)據(jù)采集技術(shù)的進(jìn)步，造成這種偏差和差異的原因逐漸顯露出來。目前人們普遍認(rèn)為，除了尺寸效應(yīng)(氣體的稀薄性和可壓縮性效應(yīng)、表面粗糙度效應(yīng)等)外，單相流動的流體流動和傳熱的常規(guī)解和關(guān)系式仍然可以預(yù)測微通道內(nèi)的流體流動和傳熱行為。我們的團(tuán)隊(duì)是世界上做出這樣聲明的研究單位之一。在揭示尺寸效應(yīng)時，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)表面相對粗糙度小于1%時，氣液在微通道內(nèi)的流動符合常規(guī)理論。然而，對于直徑小于10-20 μm的微通道，存在稀薄效應(yīng)。在外壁溫度恒定的直厚壁管中，二維壁面和流體軸向熱傳導(dǎo)對同時發(fā)展層流和傳熱的共軛傳熱問題的影響進(jìn)行了數(shù)值研究。結(jié)果表明，壁面軸向?qū)岬幕竟δ苁墙y(tǒng)一內(nèi)壁表面熱流密度。在中，對水力直徑為500微米的波浪形通道中的FF和HT進(jìn)行了數(shù)值研究。文獻(xiàn)對多彎曲通道中1.5 mm間隙的三維拋物型湍流強(qiáng)迫對流HT和FF進(jìn)行了數(shù)值模擬。我們團(tuán)隊(duì)在氣體微通道流體流動和傳熱方面的主要成果總結(jié)于文獻(xiàn)之中。
18.制冷劑的相變換熱
20世紀(jì)90年代，為了取代消耗臭氧的工作物質(zhì)，在世界范圍內(nèi)進(jìn)行了廣泛的研究。我們小組主要研究了152a和134a的替代品，并于1994年發(fā)表了第一篇關(guān)于152a單翅片管外冷凝實(shí)驗(yàn)結(jié)果的論文。結(jié)果表明，在飽和溫度為40?C時，152a的冷凝HT系數(shù)比0f R-12的冷凝HT系數(shù)高約20-25%。在此基礎(chǔ)上，建立了管內(nèi)對流強(qiáng)制冷凝沸騰實(shí)驗(yàn)裝置，并對備選134a進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量和理論分析。文獻(xiàn)分別報道了光滑水平管內(nèi)134a強(qiáng)制對流冷凝和沸騰高溫局部換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究。隨后，四種制冷劑(包括R134a和R410a)在光滑管和微翅片管內(nèi)沸騰換熱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表于。
19.管外降膜蒸發(fā)傳熱
降膜蒸發(fā)器相對于池沸蒸發(fā)器具有制冷劑充注量少、體積小、傳熱溫差小、除油容易等固有優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是冷水機(jī)組或熱泵系統(tǒng)中池沸蒸發(fā)器的潛在替代品。盡管已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但仍然缺乏令人滿意的傳熱相關(guān)性，甚至沒有一個公認(rèn)的制冷劑水平單光滑管的傳熱相關(guān)性?；谖覀冎暗膶?shí)驗(yàn)研究，提出了單個水平光滑管上制冷劑降膜蒸發(fā)的高溫相關(guān)性。建立了五種制冷劑的兩個相關(guān)關(guān)系。全潤濕狀態(tài)的相關(guān)性在±30%的偏差范圍內(nèi)擬合96.7%的我們自己的542個數(shù)據(jù)，而在-30%到+ 15%的范圍內(nèi)擬合73.4%的其他作者的289個數(shù)據(jù);部分干枯狀態(tài)的相關(guān)性在±30%的范圍內(nèi)與我們自己的97.5%的數(shù)據(jù)擬合，在±30%的范圍內(nèi)與其他作者共95個數(shù)據(jù)的76.8%的數(shù)據(jù)擬合。
20.摩擦電動納米發(fā)電機(jī)的研究
2016年至2017年，在學(xué)校的支持下，我校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)了微流體實(shí)驗(yàn)室。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了微流控研究，摩擦電納米發(fā)電機(jī)(TENG)就是其中之一。它是一種革命性的能量收集技術(shù)，利用摩擦電將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。為了適應(yīng)各種能源和各種應(yīng)用的適用性和靈活性，已經(jīng)開發(fā)出了種類繁多的具有不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的teng。我們的團(tuán)隊(duì)也對此進(jìn)行了一些調(diào)查。我們提出了一種新的結(jié)構(gòu)，電極和疏水層作為頂板，電極作為底板。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種結(jié)構(gòu)優(yōu)于其他器件，這也得到了我們對介電層對輸出功率影響的理論分析的支持。此外，還實(shí)驗(yàn)研究了液滴數(shù)和振動頻率對最優(yōu)負(fù)載阻力的影響。
21.熱接觸電阻測定的三元法
接觸熱阻(TCR)是航空航天工程中熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。在過去的幾十年里，人們進(jìn)行了大量的研究來確定不同材料之間的TCR?；诟盗⑷~熱傳導(dǎo)定律的一維穩(wěn)態(tài)法是目前應(yīng)用最廣泛的TCR測量方法。為了確定一對材料的TCR，應(yīng)測量界面溫差，并給出測試材料的導(dǎo)熱系數(shù)。為了呈現(xiàn)TCR的一個主要參數(shù)的測量結(jié)果，應(yīng)該提供平均表面粗糙度。因此，界面溫差、試樣導(dǎo)熱系數(shù)和試樣表面粗糙度的測量構(gòu)成了TCR的三個決定性要素。這一思路在文獻(xiàn)中已經(jīng)提出，文中也提出了利用ABAQUS對TCR進(jìn)行數(shù)值模擬的方法。對于中所研究的Ti-6Al-4V-Ti-6Al-4V材料對，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，最大偏差為9.57%，75%的結(jié)果偏差在5%以內(nèi)。
22.高溫增強(qiáng)技術(shù)的綜合評價
換熱強(qiáng)化技術(shù)是提高換熱器熱性能的有力手段。然而，任何高溫強(qiáng)化技術(shù)都會導(dǎo)致更大的壓降，并且眾所周知，壓降增加的比例往往大于傳熱增強(qiáng)的比例。因此，如何對增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行綜合評價的問題引起了人們的關(guān)注。提出了若干評價標(biāo)準(zhǔn)。隨著世界范圍內(nèi)能源短缺危機(jī)的出現(xiàn)，強(qiáng)化換熱的節(jié)能目的變得更加重要。提出了一種基于相同流量、相同壓降、相同泵送功率下增強(qiáng)高溫表面與參考高溫表面對比的綜合評價方法，并繪制了性能評價圖。在該圖中，分別以增強(qiáng)表面的摩擦系數(shù)與參考表面的摩擦系數(shù)之比和相同雷諾數(shù)下相關(guān)的傳熱增強(qiáng)系數(shù)之比作為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。由兩個坐標(biāo)包圍的第一象限可分為四個區(qū)域:在區(qū)域1中，高溫增強(qiáng)，壓降損失較大，每泵送功率相同，高溫就會惡化;在相同的泵送功率下，區(qū)域2的高溫增強(qiáng)，而在相同的壓降下，區(qū)域3的高溫增強(qiáng)，相同的壓降下，區(qū)域4的高溫增強(qiáng)比大于摩擦系數(shù)增加比。在該圖中，可以很容易和清楚地比較不同的增強(qiáng)技術(shù)對同一參考的節(jié)能性能。
23.不同工程段的能源利用效率
為了節(jié)約能源和減少溫室氣體排放，中國政府大力采取節(jié)能措施。其中一項(xiàng)措施是根據(jù)能源效率(EE)來決定新計(jì)劃的工廠是應(yīng)該批準(zhǔn)還是應(yīng)該關(guān)閉已經(jīng)存在的工廠。文獻(xiàn)提出了一種基于能效指標(biāo)(EEI)體系的分層指標(biāo)比較(HIC)方法來評估中國不同行業(yè)的能效。HIC方法的基本思想是根據(jù)指標(biāo)將電廠的EE與參考值進(jìn)行比較。如果比較結(jié)果表明該裝置比參考裝置差，則不允許建立該裝置。以化工行業(yè)的純化對苯二甲酸(PTA)為例，說明了HIC法。此外，文獻(xiàn)提出了一種用于中國區(qū)域能源效率預(yù)測與評價的混合預(yù)測方法。在這些研究的基礎(chǔ)上，對高耗能行業(yè)能效評價的方法和政策進(jìn)行了全面回顧。
24.帶有太陽能煙囪和光伏系統(tǒng)的太陽能輔助空氣凈化系統(tǒng)
太陽能輔助空氣凈化系統(tǒng)是利用太陽能治理大氣污染的一種新嘗試。2016年，西安建成了一個示范單元，這是世界上第一個使用太陽能和先進(jìn)過濾技術(shù)進(jìn)行空氣凈化的建筑結(jié)構(gòu)。該單元有一個60米高的煙囪和一個2580平方米面積的收集器。我們團(tuán)隊(duì)部分參與了該示范裝置的設(shè)計(jì)、測試和評估。利用太陽能產(chǎn)生熱上升氣流，吸引環(huán)境中的污染空氣，污染空氣被煙囪進(jìn)風(fēng)口前設(shè)置的過濾器凈化，然后通過煙囪排出到環(huán)境中。這種設(shè)備的重要輸出參數(shù)是通過煙囪的空氣流量?；旧?，集熱器面積越大，空氣流速越大。更大的空氣流速是以土地為代價獲得的。數(shù)值研究了由太陽能煙囪和覆蓋在集熱器上的光伏(PV)板組成的混合系統(tǒng)和僅由太陽能煙囪組成的系統(tǒng)。結(jié)果表明，采用40米寬的光伏板覆蓋整個集熱器頂部的混合系統(tǒng)，系統(tǒng)容積流量僅降低19%，但系統(tǒng)總輸出功率提高了57倍。產(chǎn)生的電力可以用來轉(zhuǎn)動風(fēng)扇，使更多的空氣通過煙囪。因此，太陽能輔助空氣凈化系統(tǒng)覆蓋所有集熱器表面的光伏板是一個有效的變種，以節(jié)省土地。
25.環(huán)境湍流邊界層流動的再獨(dú)立性研究
對于城市街道污染運(yùn)移的研究，可以采用數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法。為了進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，出現(xiàn)了一個問題:如何確定雷諾數(shù)?當(dāng)氣流經(jīng)過街道時，所謂的大氣邊界層(ABL)就形成了。相似理論要求，要使風(fēng)洞過程與原型相似，必須滿足兩個條件:(1)幾何相似;(2)流動動力相似性，即風(fēng)洞試驗(yàn)的Re必須等于原型的Re。如果使用原型的1/ 500的模型，則平均速度為4米/秒。那么風(fēng)洞中的速度應(yīng)該是2000米/秒!這在ABL風(fēng)洞中是無法控制的。我們建立了一個與物理風(fēng)洞完全相似的數(shù)值風(fēng)洞，在模擬中采用了三種雙方程湍流模型。數(shù)值結(jié)果表明，環(huán)境湍流邊界層流動可分為低雷諾數(shù)范圍內(nèi)的強(qiáng)re依賴區(qū)和高雷諾數(shù)范圍內(nèi)的弱re依賴區(qū)。提出了相對變化比的概念來確定區(qū)分兩個區(qū)域的臨界雷諾數(shù)。如果原型機(jī)雷諾數(shù)處于弱Re依賴區(qū)，則其風(fēng)洞試驗(yàn)可以在大于臨界Re的任何Re下進(jìn)行，而臨界Re通常遠(yuǎn)小于原型機(jī)雷諾數(shù)。因此，確定臨界雷諾數(shù)將為風(fēng)洞試驗(yàn)提供極大的方便。
26.相似性理論在PEMFC研究中的應(yīng)用
本課題組從2000年開始對質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的水熱管理進(jìn)行研究。PEMFC最重要的綜合性能是其極化曲線(PC)受幾十個尺寸參數(shù)的影響。為了在數(shù)值上預(yù)測這個PC，我們開發(fā)了幾個模型和相應(yīng)的代碼。由于受幾十個參數(shù)的影響，到目前為止，極化曲線都是針對這類參數(shù)值的單獨(dú)一組進(jìn)行量綱化得到的，并且每條曲線只能適用于這一特定的參數(shù)組。文獻(xiàn)全面回顧了相似理論在PEMFC各組分研究中的應(yīng)用，文獻(xiàn)對PEMFC三維單相等溫模型采用相似分析得出相似準(zhǔn)則。得到了7種輸入判據(jù)，并將無量綱電壓和無量綱電流密度定義為兩種輸出判據(jù)。數(shù)值驗(yàn)證表明，當(dāng)7個判據(jù)在較大范圍內(nèi)保持各自的值時，無量綱極化曲線保持一致，偏差約為1%，表明了本文分析的有效性和可行性。從對無量綱極化曲線的影響來看，敏感性分析表明，7個標(biāo)準(zhǔn)可分為強(qiáng)、輕度至輕微和可忽略三類。相似度分析方法可以大大節(jié)省PEMFC輸出特性建模的計(jì)算時間。
從上面的簡要介紹可以看出，傳熱是熱流體科學(xué)中一個非?；钴S的子領(lǐng)域。隨著世界科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前的HT研究正在發(fā)生著巨大的變化。正如中國諺語所說，活到老學(xué)到老，我會跟蹤它的發(fā)展，盡我所能做研究。
我有幸在楊世銘教授和E. M. Sparrow教授的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)HT；我很幸運(yùn)，能和160多名可愛、勤奮的研究生一起工作；我很幸運(yùn)，能與團(tuán)隊(duì)中許多年輕有為的同事一起，認(rèn)真、和諧地教授和研究HT；此外，我們團(tuán)隊(duì)的發(fā)展也長期得到了國內(nèi)外眾多同仁的支持。借此機(jī)會，我向我的導(dǎo)師、我的學(xué)生和我在國內(nèi)外的同事們表示衷心的感謝。我的團(tuán)隊(duì)的研究得到了多項(xiàng)中國政府基金的支持，包括國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金。
我要特別感謝牛津大學(xué)的何力教授、諾丁漢大學(xué)的毛雪瑞教授、閻玉英教授以及上海交通大學(xué)的徐輝教授，感謝你們于2019年9月在諾丁漢大學(xué)組織了我80歲生日的慶?；顒樱⒃趥涫茏鹁吹摹稇?yīng)用熱工程》雜志上發(fā)表了這期特刊。
最后，我要感謝我的妻子孫玉琴女士，感謝她一直以來對我的支持！
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