世界性的能源短缺和全球气候暖囮是全人类所面临和迫切需要解决的难题，它不仅是一个科学和技术问题还涉及经济、政治和外交领域。由于提高能源利用率（其俗称為节能）不仅能缓解本国能源的短缺，减少能源进口的依赖度而且直接减少了碳排放。因此节能/提高能源利用率被认为是一种最廉價、最清洁和最安全的能源。能源利用率的提高不仅在化石能源利用中十分重要，而且在可再生能源（太阳能、风能和生物质能等）的利用中尤为关键所以是实现低碳经济和低碳社会的关键因素。

由于在各种能量的利用中80%要经过热量的传递与交换，因此提高热量传递嘚能力、减小传递过程的损失是提高能源利用效率的关键然而，在现有传热学理论中只有传热速率的物理量，没有传热效率的物理量在提高热量传递的能力时，只有传热强化的概念没有传热优化的概念，从而导致现有热设备和热系统的能源利用率不高为什么传热學中只有速率没有效率、只有强化没有优化的概念的问题，这对现有热学理论提出了挑战现在的热学学科中还缺少某些基本物理量。另外飞秒激光加热和碳纳米管等前沿技术对传热学中的核心定律——傅里叶导热定律——提出了挑战，因此需对热量的本质及其传递和转換规律方面作新的探索

在这样的背景下，由中国科协主办中国工程热物理学会和清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室承办，鉯“热学新理论及其应用”为主题的第38期新观点新学说学术沙龙于2010年3月在北京召开来自工程热物理、制冷、建筑节能、材料、力学等领域的30余位专家参加了讨论，另有30余位学者列席专家们以提高能效和高技术发展中的热学问题为主要背景，从提高能效的新理论—场协同原理、[火积]耗散极值原理、热质理论和普适导热定律、能势表征与不可逆性的关联关系4个专题提出了[火积]、热质和能势等新概念来拓展現有的热学理论和发展新的节能技术并进行了探讨。这必将在发展节能新技术、提高能源利用效率、促进热学学科的发展和完善、推动学鍺之间合作等方面发挥积极作用

作为本期沙龙的领衔科学家之一，我衷心感谢各位代表热情的参与感谢中国科协、中国工程热物理学會和清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室对本期沙龙的大力支持。

【发言1】过增元：对现有热学理论的思考

 非常感谢各位参加这個沙龙客气话就不说了，直奔主题众所周知，热学是比较成熟的应用非常广泛，为什么还要再思考呢? 原因来自三个方面五个问题。两个问题来自教学两个问题来自科研，一个问题来自个人对探索自然科学的兴趣

第一，教学方面在热力学课程中，大家都说熵难敎难学。学生的反映是“学焓是寒心学熵是伤心。”不仅学生反映我自己不是研究热力学的，但国内物理学家冯端专门写了一本关於熵的书他讲到，熵是极其重要的物理量但又以其难懂而闻名于世。诺贝尔奖获得者普里高津也说熵是一个奇怪的物理量，而且不鈳能给出完美的定义可见它确实比较难。关于教学方面的现状我问了一部分教师，说现在在课堂上讲热力学的时候只讲熵的微观解釋（宏观态出现的概率），很少、甚至不讲熵的宏观物理意义奇怪得很，因为熵实际上是研究热功转换而引出的宏观概念恰恰不谈宏觀，只谈微观对这样的现状，我自己就提了一个问题为什么热力学中熵的概念难以理解?

教学方面提出的第二个问题就是传热学课程理論性不强。学生觉得这课没意思都是经验关系式。和流体力学相比传热的定律基本上都是实验性的定律，包括傅里叶导热定律、牛顿冷却定律有人说也有理论啊，例如边界层理论但是那是流体力学理论，不是我们传热学的理论当然，我们以前还有相似理论这个基本上也是实验性的，而且现在传热学中讲得很少了所以，我提出来问题二: 为什么传热学不像力学、电学等具有自己严格的理论体系?

第②科研方面有两个问题，第一个问题刚才徐建中院士也讲了低碳、节能现在不仅是我们国家，而且是全世界共同研究的问题这里跟峩们有什么关系呢?大家知道，现在80%的能源利用都要通过热量的传递怎么样把热量传递性能提高呢? 以前也有人做过，20世纪70年代的世界能源危机推动了传热强化理论和技术的发展但是，今天仔细分析一下传热强化不一定节能，我不是说一定不节能是不一定节能。传热强囮需要增加面积、提高流速使得流阻和泵功增加更多，可以说一般都不节能要节能，需要有优化概念可是我们知道，传热学里面只囿速率的概念没有效率和优化的概念。如果有了效率的概念我们把效率最大化，这就是优化只有速率，没有效率没有办法提高能源利用的效率。所以科研方面的第一个问题就是: 为什么传热学只有速率没有效率只有强化没有优化的概念? 这就是问题三。

科研里面提出嘚第二个问题就是随着高科技的发展，大家知道激光在武器、加工等方面具有非常重要的作用，激光的频率现在都已达到皮秒、飞秒量级还有纳米技术，碳纳米管现在应用广泛待研究的问题很多。这些领域提出了一个问题传热学里面的核心定律——傅里叶导热定律已不再适用，怎么办?好多人找各种各样的解决办法但是他们的解决办法都是用各种各样的模型对傅里叶定律进行修正，傅里叶定律本來是两项再修正加一项，修正办法就是用模型而不是从基本定律导出来的。

举个例子如果把傅里叶定律和能量方程合起来，热扰动嘚传播速度无穷大这显然不行。典型的C—V模型在傅里叶导热定律里加上热流随时间的导数项，C—V模型加了一项以后就变成热波了，波的传播速度是有限的它解决了这个悖论，但是又产生了新的悖论也就是，如果用C—V模型计算会产生负的温度，这就违背了热力学苐二定律用模型来进行修正，解决了一个问题但是又产生了新的问题。而且现在的各种模型无法描述稳态的非傅里叶现象。以前的非傅里叶导热都是在瞬态条件下但是在碳纳米管里，发现在稳态情况下它也会产生非傅里叶效应。从这些现象中我们就提出了第四個问题: 为什么只能用实验定律来描述热量传递的规律?

第三，兴趣方面探索学科间的共性的兴趣，热学跟别的物理的其他分支学科（力学、声学、光学、电学）相比没有质量，没有力没有速度和动量。也许有人说我们有力啊，但是这个力还是机械力没有热的力，有囚说非平衡热力学里面不是有吗但它是广义力，这个力的单位不是牛顿不是真正的力。别的学科里都有波都有振动，有耗散但是熱学里面没有。热学里面有很多独有的概念首先是熵，还有我们特别强调的状态量、过程量、可用能[火用]等，别的学科有没有呢? 还是別的学科有但是不用[火用] 这个差别就非常大了。为什么呢? 这个差别傅里叶早就总结出来了他说力学理论是不能应用于热效应的，一直沿用到了今天所以，我提出第五个问题为什么热学同其他学科之间的共性是如此之少，而个性是如此之强?

我就不重复这五个问题了概括出来了以后，从这五个具体问题又可以归结为两方面的原因: 现在热学里头是不是缺乏某些基本的物理量呢? 是不是某些基本规律还有待發现呢? 按照这样的思路我们初步做了一些工作，分四个方面或者是四个阶段

第一个阶段，就是温差场的均匀性原理谁都知道逆流换熱器比顺流换热器的效能好，为什么逆流换热器效能高呢? 大家说对数温差最大啊，但是为什么对数温差最高呢? 不清楚了25年前在传热年會上，我跟西安交大陈仲頎教授在下面讨论了这么一个愚蠢的问题经过研究以后发现，决定换热器效能的应该不是流动的安排（叉流、逆流等）而是换热器里面冷热流体的温差的均匀性。按照这个原则来做我们可以做到叉流换热器效能可以等于逆流换器的效能，更有甚者可以高于逆流换器的效能，不知道大家能不能相信因此，我们提出了温差场的均匀性原理即换热器中冷热流体的温差场越均匀，换热器效能就越高这就是优化的概念，不是强化的概念

第二个阶段，就是对流换热的优化以前谈过了，换热只有强化没有优化，那么怎么来优化呢? 在对流换热里面有两个场一个是速度，另一个是温度的梯度这是两个驱动力，这就是投入因为优化就是指投入囷产出的比。这两个合力推动热量前进就是传热，这两个力的夹角越小合力就是越大。投入不变就是流速和温度梯度给定，怎么样使得产出最大呢? 就是两个力之间要协同即夹角要小。但是这两个力都是场速度和温度梯度都是场，不是点实际上是驱动力场之间的協同，所以也叫场协同也就是说，场的各个地方的温度梯度和流速的夹角越小它们的协同越好，换热性能越好能源利用效率越高。這是场协同的基本概念场协同的概念比较直观，但是怎么设计场协同呢? 物理的本质是什么样的呢? 这就需要深层次方面的进一步的探索

苐三阶段，就是要讨论新的物理量借用其他学科的一些规律和经验，我们用比拟也就是归纳法。大家知道质量、力、势这些都是基夲量。力学中有能量有质量、重力、重量势，电学中也是讲电量、电力、电势和电势能我们再来看热，先借用广义力热势就是温度，那么热量和谁对应? 是和质量对应还是和能量对应呢? 我们说热量好像是跟质量对应可是热量是能量，应该跟重力势能对应实际上，如果我们看看输运定律、牛顿定律、欧姆定律、傅氏定律热量应该和质量对应，但是少一个和势能对应的物理量那么我们可以用热量乘仩温度再除一个2，我们称之为[火积]为什么叫[火积]呢，因为热量除以温度是熵那我就借用这个概念。

小结一下热量在传递过程中是和質量相对应的，即有质量的特性而现有热学中缺少的热量的能量叫做[火积]。和其他形式的能量一样在传递过程中[火积]是需要耗散的，所以可以定义传热效率输出和输人的[火积]之比是效率。有了效率就好办了使得[火积]耗散最小，传热效率最高场协同最好，能源利用率最高这就是优化。场协同的本质就出来了即最后能提高能源的效率。新的物理量解决了效率的问题优化的问题，解决了能源利用嘚问题

第四阶段，我前面提到的高科技的发展使傅里叶导热定律不适用的问题被提了出来。别人都是用模型修正傅里叶导热定律我們试想一下是不是可以从第一性原理来推导。首先热的质量特性，这个大家就奇怪了我们搞传热的，包括研究物理的是热质说还是熱动说，经历了一百多年的争论最后还是热动说胜利了。热是能量怎么说是质量呢? 如果根据爱因斯坦的质能关系式就可以确定热量的當量质量，它就是热质这个一般人很难接受，但是物理学界都能认可

有了这样的概念，传热就是热量在介质中的运动从而引人了一系列的新物理量: 热质速度，热质力（这个力和机械力不一样是两码事），热质加速度热质动量等。从这里可以看到[火积]本身就是热質能，他们之间仅差一个常系数由于热量的质量特性，我们就可以用牛顿力学描述热量传递可导出普适导热定律，适用于超常极端条件下（包括超高热流密度纳米条件）的导热过程，但是它又可以和常规条件下的傅里叶定律相容可以退化为傅氏定律。

以上就是在热學中引人了一些新的基本量和得到了一些新的基本规律的初步工作恳请质疑和指正。

周远: 过增元教授非常大胆地提出了新的思路我觉嘚很好。只有这样争论了才有学派和科学的发展。我参加过过增元教授的学生的毕业论文答辩我有一个总的想法，我们原来用的概念比加说熵，还有焓相关规律用得很成熟了，不是应用到我们的机器当中就已经是最好的了呢? 这不好说不管什么样的理论，什么样的觀点最后还是要在实际中检验，所以这是很关键的

我的第一个观点是[火积]这个概念提出来之后是不是应该把它应用，制成一个图表哏焓和熵图一样，我们在机器或者是循环里面应用应用的结果比原来用的焓、熵的更好，更节能那么证明新理论是比原来的焓、熵的概念要好得多。不妨用锅炉、用汽轮机来做一个设计知果设计得更好，更节能那就能说明问题，这是第一个观点

第二个观点，大家知道现在用的这些理论统统都是在物理学上用得比较成功，但是在生物方面包括人体在内，热学的观点真正应用到生物学还没有很成功比如说熵，生物学里面是不是都是熵增? 熵增是大家都很普遍承认的但是在生物学里不都是熵增过程，它是一个熵减过程因此，如果用这个[火积]的概念分析一下把我们物理学的概念用到生物上如果能用得很成功，说明这个理论很有意思

所以我觉得，如果大家要来承认热学新理论应该关注的是在实际应用当中最终是否起了作用。

华泽钊: 两年前在一个会议上，过增元老师作过这个报告但是当时沒有这么详细。

我的问题是说熵的理论在效率上没有反映，这个可能不完全因为Bejan就根据熵的理论提出了效率的问题。周远老师提的意見我也同意理论要实践检验才是对的，现在这个理论没有办法用实践检验后面有好的实际应用的话都不是理论证明，理论证明要从理論上来证明这里关键的思路就是把热量看成了质量，爱因斯坦仅仅是研究机械运动的当机械运动有了速度以后就有一个附加质量，有┅个相对性质量那么，把热看作质量在后面从质量中就引出来一大套的东西，没有这个质量的概念就什么也没有了关键是这个问题，我们要好好地讨论

任何能量都有一定的质量，反过来看因为有了这个质量，就可以从力学上来考虑后来是考虑热子气，名字叫thermon楿当于以前的光子、声子，问题是这个热子气只是从理想气体内能与什么有关中来的如果讨论固体，本身有一个phonon（声子）有了声子以後再加上热子，声子本身有传播速度、声波再加上热子后，热子和声子是什么关系呢? 还有就是热质论为了防止和热质说混为一谈，就取了另一个名字thermomass我建议用其他的名字，比如热子学

我觉得自己是一个外行，几年前过增元老师的一个学生在我那儿做博士后所以我知道这个理论。热学新理论用在材料上确实有成功的例子我们发现用场协同和它的理论能有效地解决多孔介质的有效热传导问题，下午峩会详细地讲一下其中有一个关键问题就是能否测量[火积]。我们知道熵在材料里面应用的一个很成功的例子是在高分子领域。20世纪40年玳当时在高分子系统里成功地把熵测量出来，后来使得统计热力学在材料学范围内的应用得到很大推广以后，其中一个很大应用就是茬统计物理和材料领域里以前我跟过增元老师也交流过，如果可以测量到这个量我觉得是比较重要的。另外我有一个问题问过老师，您认为[火积]这个物理量经过一段普及以后会不会比熵更容易理解在教学时更容易一些?

王立秋: 刚才过增元老师讲热力学和其他学科有一些区别，但是一般来讲大家认为热力学是一个广义学科，什么地方都可以用好多人也相信，包括我也相信但是确实，流体力学不是按照热力学的思路讲的传热学也不是按热力学的思路讲的，问题在哪儿呢? 可能就是因为热力学有一个特殊的概念就是热量这个热量跟仂学不太相关。如果我们有热质的概念热量这个过程量就可以用力学来研究，这样是不是传热学、流体力学都可以用热力学这一套规矩來了? 这是我想提出来的一点

第二点，刚才几位老师提出来了[火积]能不能测量回答这个问题最主要的是看它是不是一个状态参数，如果昰状态参数我们就可以测，也不是直接测状态参数都是和温度、压力等有关系的，三个量决定状态参数的数值 但是如果[火积]是一个過程量，就不可以列表不可以列图，因为这个过程太多不同的过程有不同的量。所以我不知道这是一个过程量还是一个状态量，首先要解决这个问题数学上确实也有两种不同的量，一种能够有全微分的是状态量一种不能全微分，是过程量我们热力学上的过程量囷状态量的区分是有特色的，可能还是我们要保留的

宣益民: 我刚才看了一下[火积]的定义，过增元先生给的是1/2乘以QT如果把纵作标看做是Q，横坐标看做是T实际上是三角形的面积。如果再细想一下热流是带有方向的量，那[火积]纯粹是一个状态量吗? 如果从力学这个角度假洳说我们回归到描述粒子运动的玻耳兹曼方程，能不能从那个角度给出一些定义因为流体力学的那些问题最后回归还是在玻耳兹曼方程這个基础上发展起来的，到Navier-Stokes方程不知道能不能从这个角度做一些推导?

陶文铨: 我认为[火积]比熵容易理解。中国有传统的铁板烧铁板上有禸，铁板要跟牛肉传递热量一定要把铁板加温，要能吃得时间长必须要用铁板，不是用铝板什么道理呢? 要高温，要内能大它们的塖积是传递热量的能力，当温度降低到和环境相同的时候这个铁板就没有传递能力了。这是一个非常容易接受的概念就是你的定义。

盧文强: 刚才过增元老师说了基于热质的概念用牛顿定律可以推导出来普适的导热定律，而且可以把C—V模型的一些工作连带在一起但是微尺度传热有两种模型，一种微观模型一种宏观模型。C—V模型和后来的两项弛豫模型都是属于宏观模型我不知道对微观的那些模型是鈈是也能建立联系，希望这项工作能够很好地开展

大家提得非常好，我不是回答问题是参加讨论。周远院士讲了应用华泽钊老师提箌了Bejan，Bejan是用熵的理论定义效率也能优化，之前没有提到我这里再说明一下。这里指的是传热过程或者说是传递过程。Bejan的熵的概念峩们觉得不是说不对，也不是不好它只能用在热功转换的过程中，这是我要强调的第三就是关于测量，刚刚潘宁老师包括周远院士都提到如果能够测量[火积]这方面我们一定会去好好考虑。

再就是它是不是状态函数如果按照定义，内能乘以温度那肯定是状态函数。峩们现在讨论的只是导热问题是固体、流体类的导热问题，没有做功的概念没有体积的变化，因此可以按微分的方式来定义它这个狀态函数，但是对于气体来说就比较复杂这个我们再详细讨论。

还有一个就是标定的问题[火积]确实是这样的。如果计算甲物体对乙物體的[火积]应该用乙物体的温度，就是环境温度对象的温度作为标定，不是乘T而是乘T－T₀。

还有刚刚卢文强老师提到的我们现在用的昰宏观模型，我自己有一个认识它应该和微观模型是一致的，我们这方面做得还很不够谢谢这方面的提醒。

【发言2】陶文铨：场协同原理及其应用

我这个报告是基于2006年在印度古瓦哈地以及2007年在南非国际会议特邀报告基础上修订而成的共分为6个部分。

第一部分引言。峩们知道强化传热是国际传热界热门的研究课题单相传热强化的机理有三种解释：①减薄热边界层；②增加流体的扰动；③增加壁面附菦速度梯度。到20世纪末没有一种统一的理论1998年，过增元先生通过把边界层能量方程对边界层厚度从零到外边界做积分在外边界上温度嘚一阶导数为零，我们就得到了这么一个结果等号前面是两个矢量的点积，等号后面是壁面换热量而矢量点积等于两个矢量的模乘以兩个矢量夹角的余弦。夹角越小乘积越大，所以在相同的温差下两个矢量的夹角越小，传递越强烈根据Webster字典的定义，当几个作用同時在一起时如果它们是互相合作的或者是联合的，这种情况叫协同因此我们就把这样的概念叫做场协同。夹角叫协同角英语为synergy

刚才講的是一个边界层问题，因为传热里面很多是椭圆形的流动所以，有必要把它推广到椭圆形流动椭圆形流动的控制方程要增加一个流動方向的二阶导数项，把这个方程对外掠后台阶的换热区域做积分把对边界的积分分归为流体边界和固体边界两部分，得到等号前面是這个积分量减去通过流体的导热等号后面是固体的换热量。传热学告诉我们当Peclet数小于100的时候，流体沿主流方向的导热量可以忽略不计那么得到积分和边界层积分完全一样。即使考虑主流方向的流体导热也不过是百分之几的差别，因此刚才的结论基本上是成立的

2005年，过增元先生进一步地把场协同理论归纳为三点第一，协同角α也就是速度跟温度梯度的夹角应该越小越好； 第二、第三个标量，即速度绝对值、温度绝对值和cos α。应该同时越大越好；第三，截面上速度和温度分布应该尽可能均匀过先生的这篇文章发表在2005年国际传热杂志仩，是最近5年国际传热界引用最多的文章之一我们团队在第一方面做了一些工作，现在向各位汇报一下

第二部分，我们来看怎么来表礻协同做应用的时候需要知道怎样设计才能使速度与温度梯度协同更好。局部协同角是一个非常好的选择局部协同角怎样平均呢? 我们缯经研究了多种平均方式:简单的平均、体积加权等。我们的研究表明除了简单平均外，别的无论哪一种方式虽然绝对值不一样，但是變化趋势是一致的这个非常好。因为研究协同角的变化趋势是最主要的而不是它的绝对值，因此除了简单平均以外，各种的平均都鈳以采用

对流换热又分为两种极端情况。第一速度与温度梯度是平行的，同向时流体被加热逆向时流体被冷却，这个情况具有最高嘚效率也就是说，速度和传热量成正比；第二速度和温度梯度垂直，这是最差的情况这时速度的提高对增加传热毫无好处。我们将偠用实验证明这一条

第三部分，我们用实验和数值模拟来验证这个基本理论这个理论刚出来的时候很多人不理解，质疑也很多我们僦用一个个例子说服人家。这里我还是保持这个发展的过程来叙述我们最早做的是单管外掠翅片管束，翅片除了增加传热面积以外还能强化协同。在这个区域流速和等温线是平行的，温度梯度是垂直于等温线的所以在这个区域速度和温度梯度是基本垂直的，这里基夲上没有传热加上翅片以后，等温线变了温度梯度跟速度是平行的，所以大大强化传热因此翅片不仅能增加面积，而且能大大改善協同当雷诺数等于10时，指数几乎是一次方这是最好的强化情况，随着雷诺数增加传热同时增加，但指数逐渐减小我曾经根据这个結论否定了我们的好几篇文章。其中的实验结果得到雷诺数的指数大于1我说绝对不可能，我有基本原理支持第二个例子，外掠板束峩们知道这个角度是很重要的，我们的实验发现30°的时候角度最好，我们接受过增元先生的原理后做了计算发现30°时候协同角最小，所以進一步证明了原理的正确性第三个例子，外掠板束的流动与换热我们知道板的厚度有影响，采用了K-epsilon低雷诺数模型作了研究发现随着板的厚度增加，Nu是增加的注意，Nu是以板长为特征尺度的跟厚度无关。随着板的厚度增加协同角也越来越小，这是协同原理所关心的倳第四个例子，关于波纹管我们做了实验测定和局部模拟，每个地方的极值都和极值相对应凡是Nu低的地方协同的角度就大，Nu高的角喥就小第五个例子，关于旋转通道有两种旋转，径向旋转和轴向旋转我们的博士生做了计算，随着旋转数的增加对于径向旋转，Nu昰增加的截面整个平均的协同角度是越来越低的。对于轴向旋转出现了最低Nu，此处协同角成了最高值两者完全一致。第六个例子外掠管束。我们知道随着横向节距与纵向节距不同，换热是变化的比如说，随着纵向节距的增加换热降低。同样协同角正好相反，随着纵向节距增加协同角增加，所以说两者完全一致第七个例子，湍流大涡模拟结果我们刚才讲的是湍流的两方程模型，我们用夶涡模拟做了一个通道就是下面加热，上面冷却两侧绝热，我们在计算的时候用400多万个网格做了6种不同的上下温差传热布置。我们從大量的数据总结进行对时间的平均再计算它的角度，发现随着Gr增加Nu增加，同时协同角降低据我所知，这是第一次用大涡模拟数据證明场协同理论的正确性第八个例子是关于燃料电池的。我们知道燃料电池中气体在流道里流动，然后扩散到膜产生电流，这个流噵板有各种各样的结构对燃料电池肯定有影响，我们研究这个流场板的特性实验结果发现，电流小的时候平直通道下降很快而点状通道下降就慢得多，所以说点状通道比平直通道要好我们知道，在质交换膜燃料电池中通道里面是质交换，浓度和温度是对应的因此我们想，浓度如果与速度协同好那么特性一定会更好。所以我们就分析了流场板的平行通道和点状通道，数值模拟结果证明平行通道流场板的角度是那么大，而点状通道就要小得多所以点状通道特性好，就是因为点状通道中浓度梯度与速度方向的协同关系非常好

还有螺旋折流板换热器，我们常规的垂直折流板换热器有很多的缺点比如容易结垢、振动等。20世纪80年代国外发展了螺旋折流板换热器，流体做螺旋状前进有很好的特性，螺旋角的角度很重要角度是90°的时候就是垂直折流管，0°就是纵向流动，很多实验结果证明，40°的时候角度最好。我们要问一下40°的是不是协同角最小的呢? 我们做了数值计算，1000万网格证明确实如此。对于螺旋折流板之所以40°的时候特性最好，就是因为协同角最小

我们曾经说过，如果温度梯度和速度是垂直的流体的速度大小对传热没有好处，以前文献从来没有過也没有实验。我们做了一个实验当流动到充分发展的时候，流动方向速度跟温度梯度是完全垂直的我们要证明流速的大小和传递嘚热量毫无关系，热量传递主要取决于两侧的温差就是自然对流Gr。我们做了三个温差10℃，20℃和30℃10℃的时候换热量大概是40W，20℃时候是70W30℃的时候大概是l00W。流动从零到很高的Re换热量基本上没有什么变化，有一些变化是实验中问题造成的所以我们的实验再一次证明，当溫度梯度和流速垂直的时候流速增大对传热毫无好处。

第四部分我们要用场协同原理来进行换热器的改进设计。现在的场协同原理可鉯把原来的三种强化单相对流换热的理论完全统一起来：第一边界层减薄，就等于是减小协同角这是外掠平板的计算结果。沿着流动方向对流换热系数逐渐降低，协同角逐渐增加所以说，热边界的增厚就意味着协同角的增加这两者是一致的; 第二，增加流体热扰动我们在通道中加上两个圆柱体，这两个圆柱体不增加传热只增加扰动。我们计算发现增加扰动以后，换热大大增加同时，增加扰動以后整个区域的协同角大大降低，所以说增加扰动实际上就是改善了协同。第三增加壁面速度梯度。我们在通道中间加个棒在楿同体积流量的条件下，就使壁面速度梯度增加了这个棒就是起这个作用。我们发现增加了棒以后，整个通道传热大大增加同时整個通道的平均协同角大大降低，所以增加壁面速度梯度也就是大大地改进速度跟温度梯度的协同。

然后我们把这个思想用于开发换热器。我们知道现在大量使用开缝翅片，缝沿流动方向基本是均匀布置的这个看起来非常合理，但实际上是不合理的我们通过数值计算分析发现，在等温线跟流线垂直的区域也就是温度梯度跟流线是平行的区域，在这个区域不要用强化或者少用强化措施因为，强化昰要付出代价的但是到了等温线跟速度平行的地方，温度梯度和速度是垂直的我们要强化，必须要在这儿强化我们可以用一份的力量得到两份的好处。因此我们提出沿流动方向均匀开缝是不合适的，开缝必须前面疏后面密这就是所谓的前疏后密原则。

针对某厂的翅片我们提出了三种前疏后密方案最终选择了最好的一种做了实验，传热系数最少增加了26%而阻力只增加了22%。我们知道对气体的强化技术，常常是压降的增加倍率比传热增加倍率大我们实现了传热增加大于压降增加。这已经被该厂采用在国内得到应用。

增加壁面速喥的梯度在同样体积流量下，因为壁面附近速度梯度大传热就好。怎么来增加壁面速度梯度呢?我们在中间加一个棒在相同体积流量丅就把速度梯度提高了。管内是空气流动外面是冷却水，我们通过数值模拟和实验研究找出协同最好的情况我们深人地做了一个实验。管子里面传热增加了20%-40%，而阻力只增加6%-11%我们又一次实现了传热增加倍率大于阻力增加的倍率，这个已经被沈阳鼓风机厂采用另外，朂近我们研究了纵向涡发生器我们知道20世纪的文献中提及了多种纵向涡发生器。纵向涡发生器在换热器中的布置位置以及其几何尺度对傳热有影响我们最近做了实验，也做了数值模拟首先证明了我们的数据模拟软件是有效的，跟实验数据符合得相当好定性一致，定量相差在10%以内在平行板通道里面专门做了发生器，来流角度30°- 对传热有不同程度的影响均远远好于没有发生器的平壁通道。如果说我們选择好角度不仅传热强化，阻力还可能下降再来看场协同角，有纵向涡时场协同角大大的下降这是纵向涡发生器被实际应用的情況。我们正在跟工厂进行应用研究在传热不减少，阻力有所下降的条件下可以从6排管减少到5排年，我们的团队发表了23篇关于场协同的國际期刊文章至今已经被国内外期刊引用了330次，其中被SCI期刊引用222次相当于每篇9.7次，单篇引用最高70次同时我们很自豪地说，在传热学苐四版里面我们已经把这个场协同的基本思想写到里面去了（504页），这是国内外第一次把场协同原理写到本科生的教材里面也正是因為这一点，传热学第四版真正体现了中国特色

第五部分，下面是需要进一步做的工作首先，为了研制高效低功耗的强化传热元件实施低碳能源技术，需进一步研究速度场、温度梯度与压力梯度之间的协同关系以进一步达到在压力增加比较少，甚至不增加的情况下强囮传热限于时间我就不多说了。第二相变传热强化管束自1974年以来一直是基于实验的研究，还没有做到理论分析比如说，我们每年要為很多厂家测试这种管子对不同的介质，不同的条件下究竟什么形状最好现在还没有一个成熟可靠的理论分析方法。工程技术员只能鼡显微镜把好的结构描述下来然后到工程里去用，我们觉得只要把场协同原理和传热与流动的多尺度模拟结合起来就有望从理论上理解这个问题。

第六部分我发言的基本结论如下：首先场协同原理表明，改进协同使温度梯度和速度方向一致，能大大的强化传热; 第二场协同原理揭示了单相对流传热的最基本的强化原理，所有的单相对流的强化技术我们都可以用场协同原理来解释; 第三，协同角对于揭示局部换热较差的位置是很好的指标我们要强化一个换热表面，必须要把什么地方协同最差找出来为找出最差的地方可以用数值模擬方法，场协同原理给我们提供了一个非常好的改进换热效果的方法; 最后我们需要将场协同的原理推广到相变换热，进一步研究速度、溫度梯度、压力梯度之间的协同以为开发高效低功耗的强化换热元件提供理论依据。

我们感谢过增元先生最近几年对我们团队的帮助吔感谢国家自然科学基金委多个基金、“973”项目、博士点基金的资助对我们的帮助，还有我们十几位研究生在博士、硕士论文中做的工作

马重芳: 我先提一个问题，除了速度场和温度梯度两个场之外您还提到了压力梯度场。第三个场的概念是不是跟阻力损失有特别的关系呢?您能不能介绍一下这方面的工作呢?

陶文铨: 场协同原理已经给我们提供了一个比较有效的办法在相同条件，压力增加很小的情况下传熱增加很多，基本上还是在速度和温度梯度中我们进一步认为，必须要考虑三者之间如何配合使得压差增加最小，传热增加最好或鍺单位泵功消耗下，传热效率最高这个跟节能减排是密切相关的，这个工作难度更大一些我们正在进行研究。

周远: 看来核心问题就是速度和热流方向的角度问题角度的问题，当然一个方法就是要改变结构除了这个之外，刚才陶文铨教授也说了如果雷诺数增大，边堺层减小角度也会变化的。刚才讲了三个因素还有没有别的因素? 很多搞物理的人提出了这个问题，可能场协同在层流下比较显著在馬赫数很大的情况下，不一定要用场协同的理论还有多少因素来影响这个角度? 这个角度是怎么产生的? 这些问题我觉得还是应该仔细地来討论讨论，是不是可以请具体做这个工作的人来回答一下角度的产生还有没有别的因素影响? 因为增加翅片最好了但是阻力会增加，所以說要看看还有没有别的什么办法比如说适当加入一些蒸汽，或者是里面加一些颗粒什么的我印象当中就是三个因素，即边界层、结构囷温度能不能加一点颗粒或者是其他的什么东西? 有没有考虑过这个办法?

刘伟: 首先，我认为场协同的理论是中国人自己的理论要想在世堺上立起来必须要大家共同的努力。刚才陶文铨教授讲得非常好有二十几篇文章。这里我有几个小的问题:

第一提出这个理论，我认为昰一个非常大的方向一个大的原则，一个大的体系这里还有一些细节需要不断地丰富完善，使之更加成熟从协同的角度看，因为这個场里的量比较多基本量是温度、压力和速度，还有梯度量比较多是不是除了温度场和热流之间的量之外，也可以通过其他物理量和梯度量的信息反映出来? 这样是不是可以得到更加完备的关联式而这个协同是和强化传热是完全联系的，是一个方法体系

第二个问题，關于场协同理论现在来看，我们做换热器设计和检验的时候从理论上或者是上升到理论层面有两个问题，一个是优化设计的问题一個是性能评价的问题。对于场协同我问一下过增元先生和陶文铨先生，是不是场协同更偏重于对性能的评价而[火积]耗散和[火积]的原理哽偏重于对性能的优化。我们开始可能要构建这样两个不同的方向

第三个问题，关于传热强化的评价问题不光是对换热的评价，换热樾强性能越好，同时还要考虑对减阻的评价还有一个综合评价，就是陶文铨老师刚才讲的综合评价怎么样从场协同的一系列关系中建立起准确的强化传热的准则，这些准则既可以评价传热强化又可以评价流动减阻，又能够反映综合性能也就是综合节能的性能，这個就是要在体系上可以进一步去完备的

第四个问题，对于强化传热或者说场协同，在流场里是否还有场协同不能涉及或者是达到的地方或者是失效的地方? 比如说我们讲的回流和涡。如果说从回流的地方或者是涡的地方速度会产生和主流方向反向的速度，有涡的地方回流的地方，传热从高温到低温梯度的方向不会发生大的变化，局部会产生变化如果说局部产生涡和回流了，那个时候的方向性怎麼去考虑? 由此想到了为什么平均协同角有时候会产生比较大的误差或者是像刚才陶老师讲的我们有不同的评价方式，有五六种评价方式每一种的趋势大体相当，但是评价起来相差还是比较大的就是说平均协同角还有一些误差，这些误差是不是因为在那些发生涡的地方場协同还不能达到这个还需要进一步的去考虑。

最后我认为这个理论是普适性的理论，是否在推广上也应该有一个普适性的描述相變、多孔问题是不是也应该有一些普适性的描述? 这些描述都是严格的数据描述加上数值推导，不仅仅是数据计算和验证回到我刚才最开始提到的问题，这个理论非常好是中国人自己的理论，大的原则大的框架，大的体系需要在方方面面不断的改进和完善，这就需要峩们共同去努力了

这方面的文章很早送到我这里来评审过，刚开始学习没有今天听得这么真切我觉得是一个非常好的、新的热的理论體系。陶文铨院士把场协同原理非常具体化地实施起来要不然不知道这个场协同原理怎么完成设计。刚才陶院士提出了三个耦合量速喥、温度梯度、压力，我觉得可以归结为两个问题来讨论因为我在研究热泵输运热量的时候，这个是逆自然自发过程是要付出代价的。这里面牵扯很多的换热器又牵拉热泵的热力制冷的循环，是以两种方法来进行热量输运的第一种就是我们人为的创造出温差; 第二，昰在传热上面要消耗比如说热泵，是输入了一种可用能的形式因此，在我们做总体平衡研究的时候正在探讨究竟是用热泵的方法把溫差拉大好，还是在换热器上面加入了一些空气提升水泵的流动好这两种能量的消耗对于输运究竟哪种更好? 我想也可以纳入一个场协同嘚思路里去，甚至把过增元院士的主要用于传输热量的问题扩展到热功系统里面的做功的上面另一个热泵制冷是消耗动力的系统，是不昰把协同原理可以扩展为热功系统的协同原理? 因为我们做研究的时候发现即使把换热器做得很好，在标准工况下是可以的但是一旦出現了坏的环境温度变化的时候，所有的这个协同问题又应该怎么考虑? 我觉得这是一项非常现实的对节能和低碳有更广泛的意义的工作

华澤钊: 我觉得这个理论是没有什么可怀疑的，但是我有异议的是这个名称为什么叫场协同协同本身是有一个含义，就是无序到有序的共同規律现在好像有限制，这也限制了这个理论的发展就像刚刚童秉纲教授说的，我不要场协同我要场不协同，让它传热减小

场协同嘚理论只能是一步一步地走，能使用什么范围就使用什么范围陶老师提出来有可能扩展到三个场的协同，同时提出了相变这是从实际需要出发提出的。对于童秉纲院士的气动热力学这里共同的、有可能探讨推广的，一个是瞬态问题另一个很重要的是因为里面有粘性耗散，所以是有内热源的场协同这给我们提出了很好的课题和挑战。目前我们在瞬态情况做了一点工作但是如果再加上内热源的话，峩们从来没有做过这方面值得考虑一下。

华泽钊老师提的问题我也考虑过我们的协同跟哈肯的协同论有什么区别?哈肯的协同论很宽泛，整个自然界的现象都想协同另一个，他是从无序到有序; 我们这儿比较窄就是谈一个传递过程之间的协同。因为和谐跟协同不一样這个大家可以探讨。我们有协同数有具体的东西，有表达式研究的问题比较窄，要优化要提高能源效率，哈肯的理论和这个毫无关系我不是说我们一定对，只是把原始的想法跟大家汇报一下

【发言3】童秉纲、鲍麟：关于气动热办学的研究

童秉纲: 刚才听了陶教授的發言，对于速度场、温度场协同的问题我很有兴趣，我们正在研究气动热力学的有关问题所谓气动热力学，就是空气动力学和热科学嘚结合我们对问题的目的不一样，我们希望减少到物面的传热希望更多的热量传入大气，传入物体的很少我们正在做非定常气动热仂学研究，也涉及非定常速度场和温度场的关系所以，我委托鲍麟副教授介绍一下因为这个会议也是提倡学科的交叉性。

鲍麟: 非常高興有这个机会与诸位专家交流我们做的工作我们课题组做气动热力学研究，同传热学既有区别又有联系。这个学科关注高超声速流体戓高温流体运动规律及其与固体相互作用规律问题刚才听了场协同理论也受到启发，在此介绍我们的相关工作希望各位专家给予指正。

Allen在20世纪50年代提出载人式航天飞行器采用大钝头外形可以减弱空气对飞行器物面的加热作用基于场协同的观点分析其原理可知: 在高超声速飞行时，飞行器钝头前产生一道很强的脱体激波激波和飞行器之间存在紧贴物面的热空气层。在此层内空气流动和物面几乎是平行嘚，而空气对物面的加热作用是沿着物面法向所以流场和温度场梯度方向是近似垂直的，表现为“反协同”现象因此空气对飞行器物媔传热最小。

现今近空间高声速飞行器受到极大关注。这类飞行器不同于早期的载人式航天器它可以在大气层内长时间飞行且机动能仂强，需要考虑速度和温度边界条件随时间变化对物面加热的影响即研究非定常气动力学，其中非定常速度场和温度场耦合下非稳态传熱是关键问题此问题不同于低速传热情况。以可压缩边界层流动为例描述传热规律的能量方程中除了对流和热传导项，还有非定常项、压缩功项和耗散项此时速度场和温度场相互作用是什么特征? 是不是有场协同原理存在?

接下来，我们通过非定常可压缩平板边界层模型鋶动作一些理论探讨该模型是一个无穷大平板浸没在流体当中，可以沿着自身运动通过变换分析发现此问题控制方程组具有线性特征。因此我们解析两种典型情况: 一个是平板的突然启动问题在初始时刻，平板从静止开始突然启动物面温度也发生突然改变。另一个是周期性振荡问题平板速度和温度随时间周期性振荡。其他任何非定常速度和温度边界条件引发的流动解都可以表达为以上两种典型问题解析解的线性叠加通过考察两种情况下平板速度场和温度场解随时间变化特征均发现: 首先，两者的解析解均存在相似的误差余函数项僅差一个参数—— Pr数，实际这都是由分子扩散导致的速度和温度场随时间变化即动量扩散和能量扩散，其比例由Pr数衡量其次，二者区別在于温度场还受到流动产生的耗散等作用其影响幅度和Ec数（正比于Ma数的平方）呈正相关，即速度越高耗散影响越大。在第二种情况Φ耗散影响幅度还与速度温度振荡频率比有关。进一步对比考察物面的摩擦力和热流变化规律也可以得到类似结论。

通过上述讨论峩们已经看到，在非定常高速流动中的传热问题有新特点: 温度场和物面热流演变规律由扩散和耗散等作用共同决定不仅取决于分子扩散等物性，还取决于Ec数等流动参数此时场协同原理是否仍然存在，能否应用目前还不清楚，请各位专家指正

【发言4】程林：基于场协哃原理的换热器设计平台

 无论换热科学与技术怎样的进步与发展，它总是面对不断前进的现代工业文明提出的更高的要求这种广阔的生產需求，一方面使热传递科学与热交换技术迅速成为国际上最具活力及影响力的研究领域之一另一方面又使得热交换技术始终表现出与苼产实际的差距。特别是在我们国家表现得尤为突出。换热器是一个非常大的产业应用十分广泛。在电力、冶金、化工、建材以及食品等重要的行业之中热能是能源的主要表现形式，有80%的热量需要换热器进行转换以适应不同的工艺要求。所以换热器性能的每一分提高，都意味着巨大的社会与经济效益

提高换热器性能的方法有三个方面，即过程控制、高效元件和设计方法关于高效元件，刚才陶攵铨教授已经讲了很多了我主要谈一下设计方法。在换热器设计方面向前一直追溯到20世纪40年代早期，几乎所有的研究都是把平均温差莋为设计参数而后又有了有效度和传热单元数法的概念。著名的换热器设计专家Shah在他的设计方法评估中明确指出相对于对数平均温差法更偏爱有效度-传热单元数法。但是在无明确性要求的背景下，我们也没有理由拒绝对数平均温差法有时候忽视了平均温差，会失去對整个换热器工作状态的正确的理解能力我本人提出了一种基于平均传热温差和有效单元数的分段直接设计法，在基本参数努谢尔特数Φ引入耗散指数即一个新的判别式—— Nuf^1/n = C，这是我自己提出来的一直用在我和我的同事们的一些大型换热器设计之中，效果还不错但昰，很遗憾我找不到它的物理意义。也许它本身就没有什么有价值的物理意义。在换热器设计中有明确物理意义的是过增元教授提出嘚场协同理论场协同理论的基本描述是: 换热器中冷热流体温度场间的协同越好，换热器的换热性能就越好相同条件下的有效度越高。茬过增元教授早期的研究中称该原理为换热器强化的温度均匀性原则，即: 当传热单元数和热容量流比给定时换热器中冷热流体间的温喥场越均匀，其有效度越高

事实上，场协同理论是在传热过程中大家都知道并充分理解的常识或者说是一种基本的规律。以场协同理論为指导已经有了非常多的传热元件方面的成功案例。但是即使有再多的个体也并不意味着全部，能不能用场协同理论作为一种设计方法得到应用呢? 我们仍然面临考验我本人认为，再好的理论如果没有工程应用，那么这种理论就必须等待时间的检验。将场协同理論用在传统的换热器设计方法里是完全不可能实现的。因为没有办法知道哪个地方是协同的哪个地方是不协同的，也没有办法控制它只能用换热器直接设计的方法，而现代计算机技术的迅速发展使换热器直接设计成为可能场协同理论已经有了一个很完整的数学表达式，这样通过数值计算的方式，可以使得换热器在其传热过程的每一个局部都尽可能地有较好的协同性

直接设计能够确定换热器表面朂佳尺寸的同时也能满足所有限定的热力参数，但一般局限于那种换热面尺寸完全代表整个换热器表面的换热器因此，就产生了一个问題那就是根据我们目前对场协同理论的理解和把握，我们恐怕还没有办法使得整台换热器具有同一个目标函数下的处处协同尽管我们鈳以利用数值计算的方式对我们所需要设计的换热器进行大量的计算，使之最大限度地协同这对高校和研究机构来说不是问题，但对于企业和商业应用来说则有着许多困难。以这样的方式形成一个可以广泛使用的商业软件的可能性是非常小的因为你不能要求使用者为叻使用你的软件去买一台服务器或者是小型机。这样我提出了分段直接设计的思路，即在确定尺寸之前所有的最终温度首先被确定已知数据仍包括: 热负荷，冷热流体的进出口温度两侧的几何尺寸，两种流体的质量流量在平均温度为定性温度下两种流体的物理特性、結构材料的物理特性。在选定几何尺寸之后在努谢尔特数上加人一个耗散指数，换热器两侧同时在恰当的雷诺数范围内计算换热特性並得到换热曲线。在相同的雷诺数范围内计算两侧的压力损失得到两条独立的压损曲线，两条压损曲线与热传递曲线相交以最右边的茭点为设计的原始点。在换热和耗散关系式恰当的情况下完全的数值运算就变得有可能，从而使传递过程热阻最小的目标在换热器设计Φ得到体现与努谢尔特数相关联的耗散指数很重要，是实现换热器分段直接设计的关键我们需要利用它进行判别。这个判别式就是刚財我所提到的 Nuf^1/n = C利用这个判别式我们设计了相当数量的换热器，最大的100MW以上最小的0.35MW，应用比较广泛

污垢降低了换热器的性能，通过改變换热表面的几何尺寸计算出它在换热器中的大部分影响是换热器设计中必不可少的一部分。流体诱导振动导致元件的损坏与运行中的噪声防止这种破坏性振动是换热器设计过程中的一个准则，同时利用流体诱导振动强化传热又始终充满了诱惑。通过换热器的分段直接设计方法使这几方面的内容分别找到有效的解决途径。

基于以上思路我和我的同事们完成了一个正在测试的换热器设计软件。首先以场协同理论为基础，采用分段直接设计寻找一个简单的判别式优化传热结果。这样就可以在换热器设计中采用传统方法，将相关數据输人之后自动进行不同的计算。整个软件最大的特点是界面非常友好比如说，计算完成之后会自动形成一个换热器的三维图，見图1这个三维图可以使设计者以不同的角度进行观察，看一看是否足够漂亮还有哪一些细节没有考虑到，等等同时，这个软件还会紦所有的部件自动分离出来给设计者以足够的空间，将其自身的智慧、感觉以及价值取向自由地表达出来

图l 换热器三维结构示意图

现茬的这个软件在标注方法上也有一些不同。设计者可以点击选择任何一个部件随即展示一个三维的立体尺寸标注。这样设计者可以很矗观地看到每一个部分的大小、比例和细微的结构。当设计者对整体和各个部件均高度认同之后软件会给出通用工程图，以供制造者使鼡见图2。

图2 换热器二维几何结构示意图

图3 换热器结构优化算法流程图

至此也许我们可以看到，综合考虑传热、阻力、污垢、振动的影響努力实现换热器基准使用年限的经济指标最优（见图3），仅仅依靠我们已有的工作远远不够我们应该努力寻找建立在科学基础之上嘚设计新方法。

刚才我们提了一个公式是完全基于研究者本人长期从事换热器设计积累经验而得出来的，缺乏更加深人的科学思考我們能不能提出一个新的耗散因子呢? 比如说，过增元教授提出的 ψ＝1/2 × k(dT/dx)²这样，目标就是 Zφ ＝ ∫_V k(dT/dx)² dV 最小我们由此也会形成一个崭新的、过去從未有过的换热器热力设计平台。

以这样的方法进行换热器设计在理论上已不存在任何问题，但在具体的技术层面尚存许多困难耗散洇子和目标函数的物理意义都很明确，但是我们采用什么样的方式来进行计算呢? 至少在目前我们还没有令人满意的答案。显然我们需偠更多的智慧，也需要更多的努力

王立秋：刚才听到各位代表的发言，我很受启发扩展多场协同，还是沿着能量方程这个路走这个佷重要。刚才刘伟教授也提到了回流区怎么办? 好像那个问题不是场协同的问题是能量方程的问题。因为能量方程是从热力学第一定律建竝的这没有问题，但是能量方程有很多的假设才能用热力学第一定律其中一个假设就是导热过程和对流过程相互独立，两个之间的关系互相不影响的才有我们现在都用的能量方程。但是一到回流区比如说纳米回收这些领域中，导热和对流相互作用影响就表现出来叻。

我们怎么再进一步发展场协同理论呢? 我们要从本质上看不是速度场影响传热，而是相对速度场影响传热有一个量就是速度的梯度，因为速度本身是一个质量速度的梯度是张量，这有两部分对称的部分一般叫速度应变张量场，是真正反映相对运动的如果接受这個观点，就有速度应变张量场和速度配合的问题怎么配合呢? 可以证明，一般应变的张量场用D表示D场是张量场和温度梯度相互作用，出來三个相互独立的质量场一个是温度梯度本身，再有D和温度梯度直接作用形成的一个场也是一个质量场，还有D的平方和温度梯度相互莋用的一个场这三个质量场至今是相互独立的，其他也可以作用问题就在于我们进一步发展场协同理论，让这三个质量场之间相互作鼡

有了这套理论之后，我相信回流的问题还有其他可能应用场协同理论过程中发现的一些问题，说不定也能解决所以我想，是不是場协同能够沿着刚才说的这三个场之间配合的方向发展这还只是导热和对流的关系，当然还有同类的问题还有多场协同的问题，这是導热和对流的协同问题可能本质上应该是那三个场的协同。当然了传统的能量方程大部分过程都是适用的，但是对于极端情况下原来沒有考虑的导热和时流相互作用这一项影响可能会比较大。

刘林华: 在工业里面有很多高温的过程如果辐射的比重比较大，场协同是不昰还是速度场和温度场夹角的问题? 我们知道辐射跟温度梯度没有关系它是全场的温度分布。

刚才程林教授讲的其中有一个锅炉锅炉里媔有一个辐射增压加热的过程，用速度场与温度场的协同可能不行这里可能有一些值得探讨的地方。另一个问题刚刚大家讨论的问题嘟是单纯的对流换热过程，假如说这里面有质量的传递过程组分有混合或者是扩散过程，比如在燃烧过程中这种协同关系是不是仍然滿足? 应该说协同的概念可以扩展，但是究竟怎么样协同? 速度场与温度场还是与别的场，是不是一定没有夹角? 随着应用的范围扩展这个鈳能也有不同的协同关系。

【发言5】李志信：场协同方程与对流传热优化

 刚才陶文铨教授讲的场协同理论为我们指出了对流传热强化或鍺说优化的方向，但是场协同理论很难确定什么样的速度场与温度场协同的最好，什么样的结构可以实现速度场与温度场协同的最好應该说，依据场协同理论这是不好预测的。也就是说对于如何改善速度场和温度场的协同，场协同原理并不能给出一个清晰的答案

談到对流换热的优化，就意味着要寻找最优的速度场所谓对流传热的优化是与节能有关系的。若输送流体的泵功相同优化目标寻求的昰传热量最大;若传热量相同，寻求的是泵功最小

刚才过增元教授发言时候谈了[火积]的概念。实际上传热过程是一个不可逆过程，如何評价其不可逆性呢? 这就跟传热过程的优化密切相关了热量传递过程与动量输运不同，动量输运过程中动量是守恒的，耗散的是机械能耗散的机械能转变为热能。传热过程中传递的是热量热量是守恒的，也就是说不可能耗散热量，这是传热过程特有我们认为，传熱过程耗散的是过增元教授提出的[火积]

有了[火积]这一描述物体传热能力的物理量，我们就可以去寻求热量传递过程中满足[火积]耗散为极徝时的速度场这就是所谓对流传热的优化。要寻找最优的速度场条件是泵功给定，原因在于不可能把所有复杂的问题都包括进来优囮的结果是使场协同数最大，换句话说传递的热量最大。这样问题又可以归结为: 给定粘性耗散（泵功和粘性耗散有关），寻求其[火积]耗散极小时的速度场这是一个泛函求极值问题。

对于这样一个泛函求极值的问题我们可以建立如下泛函：

该泛函对速度求变分，就会嘚到关于速度场的欧拉方程：

我们称之为“速度场协同方程”这个方程是在动量方程中附加了的一项体积力（等式左边括弧部分），称為协同力该附加体积力可以使流体沿着温度梯度的方向产生流动，其结果使得速度场与温度场协同的更好

 有了速度场协同方程，我们僦可以寻找最优流场的形式下面给出两个典型的例子。一个是圆管内的层流换热的最优流场图1圆管内层流对流换热的最优流场求解的結果是: 给定温度边界条件时，它是由八个涡（图l）或者是四个涡组成的多纵向涡的流场结构纵向涡流动结构，使得沿传热方向存在速度汾量与通常情况相比（流动沿管轴向，传热由管壁传向管中心）速度与温度梯度的夹角变小，按照场协同理论可知传热可以得到强囮。

图1 ：圆管内层流对流换热的最优流场

 另外一个例子是平行平板间通道内的湍流换热与层流换热类似，我们推导了湍流换热的场协同方程与层流换热相比，相对更复杂一些求解结果同样是多纵向涡的流动结构，但是它是靠近壁面附近的尺度非常小的涡结构，与层鋶情况相比有很大的区别。

图2 ：平行平板间湍流换热的最优流场

获得最优速度场形式有什么用呢? 我举两个例子一个是改造世界，就是發展一些新的强化技术要求同功耗条件下换热能力比较强，节能效果比较好

第一个例子是开发的双斜内肋管（图3）。刚才讲到层流对鋶换热的最优流 场是八个纵向涡这里，双斜内肋对为3对所以，产生了3对纵向涡(图4)与最优流场比较接近。也就是说依据最优流场的結构形式，人们可通过通道的结构设计产生接近最优流场的流动结构，以便实现换热的强化或优化

图4 ：双斜内肋管内的流场和温度场

叧一个例子是微肋管，在空调行业用得比较多微肋管对层流换热的强化几乎没有什么作用，但对湍流换热的强化效果非常好而且，阻仂增加比较小前面提到，对湍流换热来说优化速度场是在壁面附近薄层内形成的粘性底层厚度2－3倍的涡，依据该最优流场结构通过汾析就可以确定，微肋管应用工况下的最佳肋高度或给定微肋管的最佳运行工况。

最后我给大家提几个问题场协同图4双斜内肋管内的鋶场与温度场理论尽管可以在很多地方用，但是还有很多不完善的地方和很多问题需要进一步的研究比如说刚才讲的复杂的对流传热问題的优化，结构比较复杂还有不同的不可逆过程，包括有辐射如何优化? 还有就是刚才陶文铨教授讲的带相变问题，怎么去优化? 还有刚財提到的带有传质的对流传热过程同时存在粘性流动、对流传质和对流传热三个不可逆过程，优化的目标函数如何选取? 实际上场协同悝论的进一步发展还有许多问题需要解决，希望大家能够多提出一些建设性的意见

过增元: 刚才李老师介绍了优化，回答了刘伟教授提出嘚问题就是有涡，场协同能不能用看起来能用，因为有涡的话一部分肯定是逆着协同方向走的，但另外一部分协同得更好所以总體效果还是好的。

我提一个问题根据场协同温度和速度场的协同关系，我从应用角度考虑是不是能考虑这么一个参数，即雷诺数和马赫数比值因为它象征了粘性耗散的准则，如果是这么一个比值既要考虑粘性又要考虑它的速度场，因为马赫数和它的温度场是相关的如果用这个做一个准则数来考虑协同关系，可能会更好

我很荣幸在20世纪90年代就得到了过增元先生的很多指教，同时也在两个“973”项目Φ参加过这部分的工作第一个项目是华泽钊教授主持的，第二个项目是程林主持的我个人觉得场协同理论是一个很大的突破，1981－1984年峩在西方的强化场协同理论主要的创始人Bergles教授那儿学习，我看到他做的工作真的是没有什么机理也没有想去做，只是分类或者是提出一些推则当然他也做了很多工作，但是没有对这个机制进行研究在2002年、2005年以及2008年，Bergles教授三次都到工业大学来访问2002年专门开了一个研讨會，主要就是把过增元先生和其他教授所做的这些工作介绍给他当然，西方一直是主导着传热学的强化理论和实践方面的工作一开始讓他们接受中国人提出的理论是很难的，因为他们做惯了学术的带头人但实际上经过一系列的工作，Bergles教授对过增元所提出的这些理论有楿当的认可态度也是有很大的转变。我觉得这是一件很不容易的事情

另一方面，我也有幸成为2000年国家科技进步奖的电力热能和民用核能评审组成员由何雅玲教授、陶文铨教授提出的、用场协同指导的强化传热的元件和设备得到了国家发明奖二等奖。我作为这个项目的主审专家也学到了很多东西。我觉得从国际上的承认和工程上的应用来看场协同理论经过将近20年的努力，得到了很大的认可和成功應该说是一个很好的成绩。但是我个人也同意大家所提的意见现在这还是在原理的探索阶段，当然我个人觉得可能是一个普适性的原理但是真正要推广到各个方面，比如说湍流怎么去用今天陶院士也讲了一些计算机模拟的工作，但是我个人觉得还都是刚刚开始至于詓做相变，我觉得现在还看不到一个很清晰的路子但是这个相变传热绝对不是一个小问题，因为制冷工业一定是有蒸发器、冷凝器动仂工业有朗肯循环，这个相变是绝对跑不掉的而且相变的换热器内部发生什么过程，不用说去作理论分析就是实验测量，比如说一个佷普通的家用空调器的蒸发器和冷凝器内部的流场、温度场还有相分布到现在为止，不仅中国人没有人做这个全世界也没有人做。因為这个问题太复杂了但是不解决这些问题怎么解决制冷工业和动力系统的问题呢?现在所做的还是很初步的，因为我做了很长时间的射流沖击最简单的例子是射流冲击的驻点的温度是最高的，在驻点区肯定是层流我们做过十几种流体，最后就是陶文铨院士讲的努塞尔數和雷诺数的关系，都是实验做出来了就是0.5，我有十多个研究生做这个用不同的流体得到的一定是这个数据。尽管是层流但是驻点嘚换热是最强的，怎么解释呢? 过增元先生的理论就很好的解释了因为速度场、温度梯度和热流密度之间的场夹角是0。但是这还是一个很簡单的情况如果加上湍流还有过渡流呢? 刚才陶文铨院士讲到了雷诺数不可能大于1，我补充一点在经验公式上也有大于1的，大于1就是过渡流因为稍微增加一点速度，就从层流过渡到湍流了所以说，在过渡区雷诺数的影响是非常可观的指数可能是1.1、1.2，对此文献都有报噵在这种情况下，你说怎么去协同?

刚才程林教授所提的如果把场协同理论从科学探索变成一种设计的方法，设计的准则所要做的工莋就更可观了。但是无论如何我们中国肯定是最大的换热器制造国，所以这个强化换热理论由中国人来主导是很好的这个主导者应该僦是过增元教授。但是他的研究刚刚开始只是说解释，陶文铨先生解释前疏后密从其他的方式也能解释啊，用边界层也可以解释所鉯现在还是一种解释性的，真正要解释问题还要走很长的路当然中国人能够提出自己的理论，是很了不起的我觉得我们中国人主导了換热器的基本的强化理论是理所当然的。

我就讲这些话讲得不对请大家批判。

坦率地说我们国家是换热器制造大国，但是我们仍然不昰换热器制造强国换热器的设计水平和发达国家相比还有很大的差距。比如现在用理论进行一些设计，应该说做出来的性能和法国造、美国造、日本造的产品依然有差距我们也做了螺旋直流板，尽可能地在实现场协同的条件下做出来之后和ABB的在性能上仍然有着较大的差距所以，有了这样一个理论之后并不代表着在实践之中完全的成功，只是给我们提供了一个空间提供了一个努力的空间或者是说提供了一个努力的方向。我想我们还是应该能够认识到一点无论是在制造水平、设计水平上，还是在研究人员的数量和自身的能力上峩们仍需提高。

纯属个人观点不当之处还请更加猛烈的批判。

刘伟: 我刚才讲流场中形成的涡在描述上一点问题都没有，不管一个涡或鍺多个涡就是在局部地点的回流，那么小的地方流体在那里打转的地方是不是会产生一些误差? 我是做一点补充。

周远: 我同意马重芳教授的看法中国人在理论上有发展的确是我们中国人的骄傲，但是也要踏踏实实的尽量地努力去做。从现在讲的情况来看我个人觉得確实有一些应用的，而且作用还是比较清楚的

刚才李志信讲到了，将[火积]和场协同放在一块儿我认为它们是相互补充的。用场协同理論来说首先要把场协同搞好，但是还要[火积]耗散小就是两个要协作起来。场协同做得很好了热流方向与流动方向也很好了，但是你這样做的结果还要让[火积]耗散最小这就比较理想了。

还有就是几个场的角度问题。这个问题若深入研究有很多的事情可做。为什么會产生这个角度? 比如说在管道里气体在进来的时候的方向就是这样的，像旋流器里面有一些网这个网是有传热功能，也有过滤的功能如果管道里面又有一些阻碍，实际上会影响角度的这个角度是怎么产生的? 这个问题非常重要，怎么产生而且怎么让它达到最佳值，僦是所谓的场协同的要求可能产生的机理还是比较重要的。

一个是气体跟固体的相互作用会产生什么样的角度? 我们怎么做才能让这个角度适合我们的要求，达到场协同的要求?还有一个是与液体的气体、液体、固体三项，相互作用会产生场产生的角度怎么用表达式表達出来? 大家知道，现在有纳米材料颗粒已经很小了，可以做到几十个纳米研究人员把一些颗粒放到制冷机里面去，放到氟利昂里面從传热的角度考虑，把颗粒放进去以后会影响流动，也就是说可能会改变这个角度

刚才程林教授讲的公式，这个l/n的摩擦系数和我讲的顆粒究竟有什么关系?大家不要以为在气体里面增加一些颗粒阻力一定就要变大，不一定是这样的大家知道，在输油管道里如果用适當的量跟适当的颗粒，阻力会减小研究颗粒对于摩擦系数和相位角究竟有什么作用，我觉得里面还有好多基础性的问题可以研究我是研究制冷的，制冷的流动是交变的但是交变的角度就非常重要，这个角度是怎么产生的? 我们一直在研究这个问题我跟我的学生一直讲，如果把角度的问题解决了很多问题就很好解决了。为什么会产生交变流动呢? 就是因为产生了角度如果没有角度，同向那就没有问題了。质量流和压力的相位如果是一致的就很好做了，所有热力学、流体力学的方法都可以用但是就是因为产生这些角度，现在那些公式比如稳定流动定常流动的公式就不好用了。所以研究气体、固体、液体的分子之间角度产生的原因我觉得是非常重要的。这里面還是有很多的事情可做做了以后的确可能为我们整个的节能减排，为我们整个的能源利用带来好处

何雅玲: 上午听到各位专家的很多发訁，有很多创新性的思想我觉得收获很大。我谈三点不成熟的看法

第一，场协同理论的意义引导我们从经验设计到理性设计的上升过程前不久我去参加山东海信的鉴定会，在会上他们的变频空调取得了很好的效果当时谈到几个创新点，一个是在“两器”上实验证奣换热性能提高了8%－15%。另外还有一些变频的技术当时我就问他，我说你有什么样的技术? 他的答辩人员说你跟我们具体的技术工程师交流┅下技术工程师说，以前的换热器的设计中很多是试做法，像“两器”我们做了大量的测试，有一些只是经验的东西若是冷凝的，想办法来破坏这个膜想办法强化它; 如果是蒸发的，要使它沸腾他说，偶尔的机会看到过增元先生的场协同这本书看完以后感觉思蕗明朗化了，就是有目的的设计在我们的研究中确实有这样的一些体会，很多东西能够理性地去思考去布置一些东西，由被动变成主動这个意义是一方面。

第二个方面一个体系的完善确实有漫长的过程，但是很重要的一点是能够指导我们的实际工作在我们解决方姠性的问题上是很好的，在化学热力学上不是说不成立但是更有效的是拿吉布斯函数或者是其他函数描述化学势等等更方便一些。刚才吔有人提到了场协同在某一些场合比如辐射等方面，是不是应用?我觉得这是一个漫长的过程但是也不是强求什么东西都拿一个标准，茬某种场合可能是表现为另外一种形式可能是更方便大家使用。

第三个方面我想探讨一下，刚才很多人问[火积]是不是一个状态参数剛才周远院士提得很对，我曾经也跟过增元院士探讨过为了方便起见， 能不能把[火积]做成类似于焓熵图等以更便于客户直接用如果它昰状态参数，这个东西很好用比较方便能够做出来。我自己的体会你应该是有条件的状态参数。比如说[火用]我们在定义了环境温度後才能唯一确定，如果基准不定可能也不一样，当然也有很多问题需要探讨是不是浓也是在一定条件下的状态参数，可能便于应用

聽了以上讨论，我受益匪浅第一个受益就是，传热学、流体力学、热力学不协调有一些矛盾，如何把它们协调起来这是非常重要的问題我们沿这个思路做了一些初步的探索，把[火积]耗散稍微进行了改进包括引进粘性阻力的影响，建立了一个新的[火积]耗散极值原理通过这个极值原理就可以推出，一维稳态剪切流的能量方程和质量平衡方程这个方程和我们传统的传热学、流体力学能量方程是一致的。我们知道这些稳态不可压缩剪切流的控制方程是由两个定理支配的一个是傅里叶定律，一个是牛顿粘性定律将来，[火积]耗散极值原悝和这两个定理是协调的我们看到了一些曙光，将沿着这个方向继续努力下去

关于过增元先生提出的热质的概念，有质量一运动就囿惯性，有惯性就变成波，过增元先生也提出了这个波这样跟传统的热力学就矛盾了，所以我们还沿着这个方向往下探讨现在又扩展不可逆热力学，要把传统的方式进行改进现在的理论主要是基于C－V模型，我们现在就想基于热质模型进行改造一旦改造之后，吉布斯方程改变温度的概念要重新进行定义。我们知道现在的温度定义在微尺度下是不行的，不适用微尺度传热必须要重新定义，所以這方面我们也想继续沿着这个方向来走还有的专家提出来用分子动力学，比知说玻尔兹曼方程我们以前做了一些工作，想沿着这个方姠通过玻尔兹曼方程，看能不能从理论上推出热质模型在理论上、技术性上更强。

另外我们在换热器设计方面做了一些初步的应用，根据过增元先生提出的[火积]耗散的概念考虑了[火积]耗散数，同时考虑到了阻力的影响以它为目标函数进行了优化设计，得到了一些初步的结果这些初步的结果表明，优化后的方案和初始方案相比不仅换热器有效度提高了，并且提高的幅度很大当然也要继续检验┅下我们的软件是否有问题，因为在提高的很大的同时泵功减小了。但是我们发现付出的代价就是面积增大了所以我们现在的努力方姠就是在面积不增，负荷不变的情况下通过改变换热器内部几何关系，看看是不是可以使换热器的效能得到提高

陶文铨: 我补充三点。苐一只要符合质点的定义我们就可以用。第二质交换时是否可行? 刚开始我们的年轻教师碰到过这种事情，烧砖的时候要有气流里面囿水蒸气浓度，他们发现烧的效率不高气流的方向和水蒸气的浓度垂直，最后建议改变这个气流方向减小角度，烧砖的效果大大提高叻这就是质交换适用的例子。第三关于场协同原理的适用范围。我个人看法是这样的如过增元先生所讲，对于不同的层次如果在速度与标量梯度这个层次上，只要控制方程里面存在有U跟标量梯度点积这一项，那么它一定是成立的

郑平: 今天几位代表讲了很多，我個人认为在场协同理论已经广泛应用的情况下尤其到对流方面大家都是承认的。今天有几位代表讲了局限性方面跟相变方面，我个人認为相变最重要的是接触角一定要从微观来强化传热，我个人认为是非常重要的尤其是创新方面。

张寅平: 我是来学习的我有几个问題想请教一下。

第一场协同对强化换热是非常有帮助的，我听了过增元老师讲的[火积]以后觉得地更触及物理本质。场协同最好的时候僦是[火积]耗散最小时那么可以说场协同还是唯象，到后面还有一些物理实质的东西[火积]耗散讲的是耗散，场协同协同最好的时候和这個物理本质之间是什么关系呢? 我特别希望能够再了解一下? 就是耗散怎么影响了协同我对这个问题很感兴趣。

第二几个场是可以类比的。速度场、电场、传热场类比以后有很多的量那儿有的这儿应该也有，那儿没有的这儿可能也就没有类比的本质可能又建立在物理上囲同的地方，我想问一下这几个场在物理上共同点是什么? 也就是支持它类比本质的共性特征我特别想了解一下这两个方面。

先自我介绍┅下我叫吴晶，原来是过增元老师的学生现在在南航工作。刚才大家提到[火积]到底是一个过程量还是状态量可能对于这个大家产生叻困惑，如果和熵做类比大家可能会减少一些困惑。熵是一个状态量在熵方程里面熵流、熵产都是过程量，所以说在[火积]里面[火积]昰一个状态量。在不可逆过程中有熵产还有[火积]的某种变化。所以在熵里面，熵是状态量熵流是过程量，我想[火积]流也是过程量熵产是过程量，[火积]耗散和熵产去对应也应该是过程量我就是将[火积]和熵进行类比，这么解释大家会稍微明白一点

最后，我想以一句話跟大家共勉这也是我原来做学生的时候过增元老师经常说的一句话。大家知道熵的微观定义是由玻耳兹曼提出来的。他说过这样一呴话:“结果一旦发现是如此的简单但是到达的过程却是漫长而艰辛的。”我想这也多少能够反映出我们在探索[火积]这个理论或者是场协哃理论这条道路上所应该能够去获得的一些收获

我有一些想法，关于[火积]是一个状态参数现在来说好像没有什么严格的理论证明，无論是从物理上还是从数学上还没有严格的证明，所以也不敢妄下结论但是我们从熵是状态参数的证明过程可以得到一些启示，因为熵昰状态参数来源于卡诺循环，根据卡诺定律然后根据数学推导，得出了熵这个参数我想，有没有可能寻找一种最简单的情况下最優化的过程，通过场协同理论得到一个最简单的、最优化的过程在这种情况下，无论是导热还是对流阻力最小，传热最大当然是相對值。对这样的情况进行分析有没有可能推出[火积]呢? 能不能得出一个状态参数，而这个状态参数正好是Q×T从物理的发现上可以得到状態参数，这是我非常不成熟的想法不知道有没有参考意义，欢迎大家进行讨论和批判

我看了过增元老师的原著，不是这么一个概念這个Q是物质所含有的能量，不是过程传递的能量如果把Q乘上T的话是一个过程量。所以说实际上是内能和温度之间的乘积，如果两者都昰状态量这个乘积就是状态量。从这样一个角度看可以定义任何状态量，因为任何一个量所含的东西只是状态的函数它就应该是状態量。[火积]这个值和焓的值一样和熵的值一样，它有一个基准面它的定义里有一个小问题，这个T应该从0℃开始算从0℃开始积分积到T嘚话是没办法积分的，所以一定要取某一个面作为基准面从这个基准面上开始算。

杨茉: 对于[火积]的物理解释我认为，内能本身也是温喥函数不是独立变量，应该把内能里面的温度项分出去因为有的时候内能是温度的单值函数，这样就变成了一个量所以我觉得应该紦内能里面的温度分出去，这样可能物理上更清晰一些

陈则韶: [火积]的参数已经把传递过程中能量的品质包含在[火积]的里了，这是非常有意义的如果从热力学第二定律以后就可阐述你在传递过程当中能量的势是怎么消耗掉的，当然它跟能量结合在一起可以表现出来明天峩们谈能量势的时候我会再详细地说一下这个问题。

我刚才已经讲了工程热物理是一个古老的学科，也是一个非常新的学科特别是要解决低碳的问题，解决能源问题应该起一个非常大的作用。在国际会议上我有这样一种感觉，经常是没有什么太新的概念但今天我們这个会，当然也有很多老科学家但是更多的是青年科学家。另外我们有一些新的故事。我参加的一些国际会议老是那些人，讲来講去都是那些东西用途未必很大。现在我们中国人在整个能源工业还有装备制造业方面都走在全世界的前头，发展得很快当然我们還是一个弱国，虽然我们产量很大过增元先生所提出的这些新的热学概念和跟中国的动力工业、能源工业的发展密切结合。我希望我们囿更多的new face和new story我相信我们中国人一定会在未来的低碳经济的竞争里取得一定的优势。

【发言6】梁新刚：传热过程的[火积]耗散极值原理

 关于[吙积]的问题大家上午已经讨论了一些，我们下午再深人地交流强化和优化上午讨论了很多，我就不重复了关于优化有很多的理论，熱力学中用得最多的还是最小熵产理论基本的想法就是熵产越小，传热效果越好例如，从牛顿冷却定律来看给定换热量强化传热将使传热温差降低，熵产减小但是熵产不是针对传热过程定义的，是针对做功的能力损失定义的因此，熵产优化传热过程存在一些问题我们还是从牛顿的冷却定律来看，如果传热温差给定强化传热显然熵产是增加的。这种情况下不一致实际上Shah和Bejan本人也发现一些悖论。比如说对于一些逆流换热器在有效度比较低的时候，随着有效度的增加熵产生数在增加，在有效度达到一定程度后熵产生数又随着囿效度的增加而降低了两者之间没有一个单调的关联式，所以你用它来衡量就会得到相反的结果，这是存在的一个问题

有没有一个粅理量可以更好地衡量或者优化热量的传递过程? 这是要讨论的问题。在历史上对热学问题和电学问题做过很多的相互类比，通过类比相互促进了发展我们知道，导电学有电压导热有温度。电学有电流热有热流，电学有电流密度热学有热流密度，电学有欧姆定律熱学有傅里叶定律，包括电荷、热量电学里面还有一个电容率，指单位电压容纳的电荷还有热容，指单位温度可以包含多少热量电學里面有一个电势能，在我们热学方面没有对应的热势能问题就出现了。对于一个物体热势能如何定义? 热势能损耗怎么定义，就提出這样一个问题

我们同样参照电容的电势能，来定义一个物体的热势能它就等于这个物体所具有的热量乘上这个热量所对应的温度再乘鉯1/2，这个就是势能最早的时候，过老