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制冷与低温技术在国民经济建设和国防建设中越来越得到广泛应用，包括在航空航天及空间探测开发、国防军事装备、信息技术、生命科学技术、交通和能源、科学研究、工业以及日常生活等方面，展示了制冷与低温技术的广泛应用和推动社会进步的巨大作用。
以“制冷与低温科学技术研究前沿”为主题的香山科学会议第240次学术研讨会日前在北京召开。中国科学院理化技术研究所洪朝生院士、清华大学过增元院士、北京航空航天大学王浚院士担任会议的执行主席。来自制冷与低温、工程热物理、低温物理以及声学等不同学科领域的40多位专家参加了会议。
会议就新型低温制冷技术热力学、低温制冷技术中的流动与传热传质学、低温制冷技术中的热动力学理论和非线性问题等中心议题进行了讨论。
新型低温制冷方法、进展及展望
中科院理化技术所周远院士在“新型低温制冷方法、进展及展望”主题评述报告中，介绍了当取得重大进展的新型制冷方法以及进一步发展所需要解决的科学问题。
新型的制冷方法包括脉冲管制冷、热声制冷、混合工质节流制冷以及吸附式制冷等。脉冲管制冷是一种完全消除了低温运动部件的新一代低温制冷方法，可以较好地解决可靠性问题，在近二十年左右的时间里得到飞速发展。发展进程中，中国和中国学者做出了重要贡献，开展了许多原创性的工作并取得了举世瞩目的成果。包括提出了双向进气流程、多路进气流程以及双小孔脉冲管制冷流程等发明，同时建立和发展了脉冲管制冷工作机理的热声理论、热力学非对称效应模型以及数值模拟方法，得到了国际同行的认可和赞誉。热声制冷则是一种应用前景更为广阔的新型制冷方法，具有许多传统制冷方法无法比拟的优势。我国在该领域里取得多项令人瞩目的创新成果，包括发明并研制出了压比高达1.3的聚能型热声发动机（国际上为1.2左右）、首次突破液氮的完全无运动部件的热声制冷机以及在冰箱制冷温区（-20°C）COP达到1.5左右的高性能室温行波热声制冷机，将会极大地推动热声制冷技术的全面发展和工程化进程。热声制冷是热声效应在制冷中的应用，而利用热致声效应则可以研制热声发动机或热声发电机。可以预期，热声制冷技术和热声发动机技术将成为国际制冷界和能源界里一个竞争白热化的重大研究前沿和热点。为了进一步推动脉冲管制冷技术的工程化进展，特别推动具有前瞻性和战略性发展地位的热声技术的发展，需要对基于可压缩交变流动为基础热机和制冷机存在若干共性科学问题进行深入研究。
最后，周远院士提出了发展我国制冷与低温技术的建议，包括要大力加强基础研究、热物理测量传感器以及科学仪器的研制等，争取做出原创性研究成果，为我国今后可持续性发展做出实质性贡献。
讨论中，上海交通大学郑平教授对脉冲管制冷机在国防军事上的潜在应用以及交变流动传热研究的进展情况进行了介绍，建议对脉冲管制冷机中的回热器，发展新的可压缩气体多孔介质模型；东南大学施明恒教授强调，要充分重视可再生能源在制冷与低温技术中的应用，并提到基于微/纳米固体的半导体制冷技术是一个值得注意的方向。
中科院基础局金铎研究员强调，量子工程今后可能在信息技术方面有重大的发展和应用，而量子计算机和量子通讯这些量子技术的物理效应都是低温下才出现的现象，它们的大规模应用将极大地取决于今后是否可方便地提供经济、可靠的低温冷源。
新型低温制冷技术
浙江大学陈国邦教授作了“多级低频G-M型脉管制冷研究”的中心议题报告。介绍了多级G-M型脉冲管制冷的科学问题及其研究的主要思路，涉及的科学问题和关键技术包括：多级脉冲管制冷的流程及热力学设计方法；回热器在深低温（20K-1K）和交变流动状态下的热力学、流动和传热规律，以及提高交变低温回热器的科学途径；氦在临界区的流动传热规律以及低温换热器的强化传热措施；环路直流产生的机理、抑制措施以及脉管内热自然对流的工作机理等；氦-3在全温区尤其是极低温区的基础物性数据及热力状态方程。最后指出，多级脉冲管制冷目前处于快速发展和激烈竞争阶段，我国在此方面已具有较好基础，但需要继续深入研究，才能保持先进地位，为我国的低温技术发展做出应有的贡献。
中国科学院理化技术研究所梁惊涛研究员在“高频脉冲管制冷研究的新进展及基础问题”的报告中，分析了高频脉冲管制冷在航空航天、国防军事以及民用市场中的应用前景和研究发展趋势；介绍了高频脉冲管制冷研究的最新进展，包括基础理论研究、基础实验研究以及应用研究三个主要方面的进展情况。
中国科学院理化技术研究所李青研究员和华中科技大学郭方中教授在“热声现象、热声热机和热声网络理论”的报告中，指出了传统平衡态热力学方法在揭示新型热机-热声热机所碰到的困难和遇到的挑战。介绍了将网络理论应用于回热式低温制冷机以及热声热机的思路以及回热器无源网络模型和有源网络模型。阐述了发展高频（kHz以上）微型热声系统的应用前景、面临的学科问题以及可能采用的研究方法等。
中科院理化技术所戴巍博士和浙江大学邱利民教授在“热声制冷研究的最新进展”的报告中，指出热声热机的研究工作已从原来依赖本征热力学不可逆性的驻波工作模式转向了内在热力学可逆的行波工作模式上。最近热声发动机效率和压比的大幅度提高，热驱动室温制冷和深度低温制冷都取得突破性的进展，热声系统微型化的研究也有较大进展。这些研究进展有许多是中国提出并实现的，表明中国在热声研究领域已处于国际前列。
讨论中，有的专家提出热声驱动的脉冲管制冷是否可用于我国许多中小油田和气田上的“火炬”气体的回收上。有的专家还提出，多级脉冲管制冷机是否一定要做到液氦温区，也可以研究高效工作于20K-30K温区的多级脉冲管制冷。
新型制冷与低温技术中的流动、传热和传质学
上海交通大学王如竹教授和浙江大学陈光明教授作了“热致浓度差制冷技术中热力学和传热传质学问题”的中心议题报告，指出了热致浓度差制冷主要包括吸附制冷和吸收制冷等形式。目前，吸附式制冷技术还处在初步的工程化研究阶段，尚需解决许多技术基础问题，包括高效的混合吸附制冷流程探索、多重吸附的工作机理以及小温差、交变流动情况下多孔介质材料的相变传热传质规律和强化传热措施等。吸收式制冷技术是我国少数几个具有自主知识产权的普冷温区制冷技术，但深度冷冻的吸收式制冷技术尚待进一步开展工作。近来，我国学者提出了自行复叠的吸收式深度制冷流程，是一种可能获得低温的没有运动部件的新型制冷方法，其科学问题包括自行复叠吸收式热力循环过程分析、多种循环工质对的筛选等。
中科院理化技术所吴剑峰研究员和公茂琼博士作了“深冷混合工质节流制冷的若干关键热物理基础问题”的报告，介绍了深冷混合工质节流制冷的基本工作原理及其进展情况，指出了我国学者在研究深冷混合工质所做出的重要贡献，包括采用混合工质获得51.2K的最低温度纪录、提出了高效简单的分凝分离循环流程以及在国际上澄清了一次节流循环和内部复叠循环的本征热力学效率的优劣问题等。
上海交通大学郑平教授作了“脉冲管制冷机中非稳态流动和传热过程的基础研究进展”报告，他指出，脉冲管制冷机是一个复杂的热力系统，其研究的挑战性和难点在于：可压缩的往复交变流动，具有显著的多维效应，从启动到进入周期定态的过渡过程需要很长时间；回热器多孔介质的严格局域非平衡模型没有，缺乏往复流动情况下流动阻力系数和换热系数的关联式；系统存在多种尺度的流动状态，几何结构存在长径比很大的部件，界面的耦合条件难于给定，等等。
清华大学彭晓峰教授作了“过冷沸腾多样性与气泡动力学特性”的报告，介绍了沸腾过程在广泛的领域里出现，是制冷与低温技术涉及到的一个重要的传热过程，沸腾以其高热流和小温差等突出优势在小温差的热利用方面可以扮演重要角色。他还介绍了他们近期利用高速摄影和微尺度PIV手段对细丝上过冷沸腾进行的可视化实验和相关流场的测量，发现了核化形态的多样性并量化了气泡动力学特性。初步研究表明，在相变换热影响下的界面的Marangoni效应是泡顶射流的形成原因等。
讨论中，有的专家指出，天然气将在我国的能源结构中有一个较大比例的增长，国外现在的大中型天然气液化装置以深冷混合工质节流制冷为主，我国在这方面的研究开发还刚刚开始，希望国家有关部门对此予以重视。有的专家建议，将制冷与低温技术应用于民用客机上，以减少能耗和提高飞机的工作性能。
制冷与低温技术中的热动力学理论和非线性问题
清华大学过增元院士和李志信教授作了“传热过程中的场协同理论”的中心议题报告，以几个典型的例子解释了场协同理论的原理、应用和得到的新观点：导热过程（扩散过程）中的场协同理论。根据场协同理论可以得出：当导热系数场与温度梯度场之比处处相对时，热传导能力最强；对流换热过程中的场协同理论。当速度场和温度梯度场两个矢量的夹角为0时，对流换热的强度达到最大，反之，传热速率最小，与纯导热相同。根据这一理论，研究了一种周期性的交叉缩放椭圆管结构，可以诱导出4个（低雷诺数）或8个（高雷诺数）纵向涡，在相同单位泵功耗的情况下其传热强化结果比其他强化管高很多；换热器中的场协同理论。协同场理论指出：当冷热流体的温差处处相同时，换热处于协同工作状态，此时叉流换热器的效能可以达到逆流换热器的效能；交变流场中制冷或者热功转换的场协同理论的应用，取得一些初步结论。最后指出了场协同理论与突变论的不同之处，并指出了场协同理论研究的几个发展方向：交变流动、传热过程中的场协同、湍流流动换热的场协同、热功转换过程场协同以及场协同设计理论的建立等。
西安交通大学陶文铨教授和何雅玲教授在“跨尺度和可压缩交变流动与换热中的科学问题及其现代数值模拟方法研究”的报告中，指出交变流动热力系统是集非稳态、可压缩以及多尺度于一体的复杂热流体系统称，可以采用跨尺度模拟方法对其进行研究，跨尺度模拟的科学问题是：零Mach数（Ma<0.3）可压缩交变流动的新算法；零Mach数可压缩交变流动流态转变的判别；零Mach数可压缩交变流动瞬态与周期平均的流动和换热规律研究。
中科院理化技术所罗二仓研究员在“热声自激振荡、非线性声波传输和热声声流”的报告中，介绍了热声热机中三大非线性问题及其研究进展：热致声自激振荡演化过程出现若干非线性现象，例如，振荡模式的突变、热声滞后回路、间歇周期振荡、锁模、拟周期态、混沌现象等，它们产生的机理尚不十分清楚，也没有数学物理模型描述；热声发动机中谐振管中的非线性传播特性及采用特殊截面提高热声发动机的压比和效率的工作机理；热声热机中声流的产生机理及其物理模型。进一步的问题是热声声流对热声系统性能影响的定量描述以及交变湍流情况下的热声声流机制和理论解决途径。热声声流的测量是理论研究的基础，其准确测量是一个十分挑战性的问题。
中科院声学研究所刘克研究员在“热声学中的一些非线性问题的探讨”报告中，介绍了有关的非线性研究工作，包括： Rijke管内非线性热声振荡的实验研究，实验中发现了半波这一显著的非线性现象，同时观察到了振幅饱和的情况；开展了Obster驻波管中声场中次谐波饱和规律、混沌以及分岔规律的实验研究，发现一些以前未曾发现的现象。实验初步验证了马大猷先生提出的驻波管声场中的严格解；介绍了马大猷先生在热声转换效应所进行的一些研究工作。最后指出，热声学研究既是工程热物理研究的前沿课题也是声学研究的前沿课题，希望在今后的研究工作能够与工程热物理界专家一起开展这方面的研究工作，共同推进我国热声科学技术取得进展。
（作者单位：香山会议办公室）
专家建议
会议执行主席洪朝生院士等对会议作了学术小结，概括了报告、讨论和自由交流中所取得的重要科学思想和建议：
(1) 研究开发新型的节能、环保低温技术对缓解我国能源紧缺、降低环境污染具有重大的意义，而小型深低温技术将对空间技术、超导技术、信息技术和生物技术等高新技术的发展起重要作用。我国在脉冲管制冷、热声制冷、深冷混合工质节流制冷以及热致浓度差等几种新型制冷技术方面具有很好的研究基础，并有一支相当强的研究队伍，可以为我国的制冷与低温技术发展做出贡献。
(2) 脉冲管制冷和热声制冷技术是新型的低温制冷技术方式，其涉及可压缩交变流动及传热规律的科学问题，需要加以深入研究，其中，回热器在高频率、极低温（氦-3和氦-4临界区）的交变流动特性、传热规律以及气、固工作介质的物理化学特性等是研究的重点。
(3) 协同场理论、跨尺度的数值模拟方法将会成为研究复杂交变流动热机和制冷机系统的重要方法。热声热机中的非线性研究是揭示热声效应工作机理和提高热声转换效率的关键，建立系统的非线性热声动力学理论是本领域的前沿课题。
(4) 开展以天然气和煤层气液化为对象的深冷混合工质节流制冷研究对改善我国的能源利用和降低煤矿安全事故具有学术和应用上的双重意义。以吸附/吸收为代表的热致浓度差制冷技术是利用太阳能和工业废热等低品位热源方面的一项重要技术，混合吸附和吸收机理以及开发小温差的强化传热技术是促进这一技术工程化的关键科学问题。
(5) 实验研究检验和发展理论的重要依据和基础，为揭示和深入研究新型制冷与低温技术的新现象和内在规律，要重视新的测量方法和先进测量技术的应用和平台的建设。
(6) 应尽快组织研究队伍，确定课题的研究重点和科学目标。呼吁国家在此领域设立重大研究计划，大力开展相关的基础问题，建立系统的理论研究体系，做出创造性的研究工作，推动我国制冷与低温技术的大力发展。
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