「编者按」为了鼓励和表彰在能源、动力领域对科学技术发展做出突出贡献的单位和个人，充分调动广大能源、动力领域科技工作者的积极性和创造性，促进能源、动力科学技术事业发展，经向国家科技奖励办公室备案，中国工程热物理学会科学技术奖自2023年首次举办，并初见成效。首届获奖项目包括自然科学奖、技术发明奖，涵盖工程热力学、热机气动热力学、燃烧学、传热传质学、流体机械、多相流等各个分支学科。
现对首届获奖项目成果进行系列专栏展示，敬请关注！同时，2024年报奖工作正在进行中，欢迎广大高校、科研院所、企业的科研工作者及技术人员积极申报。
一 、获奖项目
项目名称
电-热-流耦合传热机理及流动不稳定性分析
获奖等级
自然科学二等奖
主要完成单位
哈尔滨工业大学
主要完成人
罗康，易红亮，王维，吴健，谈和平，高雪林
二 、成果简介
哈尔滨工业大学电流体传热团队成立于2012年，着眼于传热学、电磁学和流体力学的基础交叉方向，主要研究热、电、流动等多物理场多组分之间的耦合作用机理，并关注其在航天器热管理、微流控、芯片散热等领域的应用。项目团队依托于基金委创新群体、工信部重点实验室，在国家自然科学基金（面上、青年）及航天院所横向课题等20余项目资助下，确定了“介观电流体传热模型开发-宏观电热对流不稳定性分析-电场强化单相及两相传热应用”的总体研究思路。
项目组近年来在电流体传热方向发表SCI检索论文90余篇，包括流体力学顶级期刊Journal of Fluid Mechanics 4篇，物理领域知名期刊Physical Review E/Physical Review Fluids 14篇，传热传质领域知名期刊Int. J. Heat Mass Transfer 13篇，流体力学领域知名期刊Physics of Fluids 25篇，其中6篇论文为封面/亮点/编辑推荐；授权发明专利/登记软件著作权24项。部分研究成果细节列出如下：
研究成果1：揭示了介电流体中自由电荷-流体微团-热输运之间的耦合作用规律，建立了电、热、流、相场耦合输运统一介观模型，首次数值复现了三维电热对流经典耗散结构，构造了基于LBM的单相/固液两相电热对流通用数值仿真平台，为电热流体动力学数值仿真提供了新工具。
电热对流系统涉及的电-热-流多物理场耦合过程，从介观角度可以解释为流体微团输运、电荷输运、能量输运等瞬态输运过程的耦合。基于此思想，项目组利用介观格子Boltzmann方法构造数值模型，针对Naviér-Stokes方程、电势泊松方程、电荷密度守恒方程及能量方程，建立了四个形式一致的格子Boltzmann方程，构造了统一格子Boltzmann模型，实现了对复杂电荷输运过程的稳定及准确复现。在此基础上开发了如图1所示的三维电（热）流体动力学数值模拟平台，实现高维、复杂形状、多相、非均匀电荷注入、强化传热分析等一系列电热对流问题的求解，为电热流体动力学的数值求解提供了一种新的思路。
图1 项目组搭建的单相/两相电热对流仿真平台及界面处理方案
自1975年Lacroix等人提出电对流耗散结构，其已成为电流体动力学领域的一个经典问题。然而由于其控制方程复杂的非线性耦合及强对流特征，数十年来尚未有针对这个问题的理想数值结果。项目组结合大区域直接数值模拟、线性模态稳定性分析以及热力学分析，对耗散结构瞬态形成规律及稳定性进行了研究，率先数值复现了经典实验中观测到的蜂窝状流动结构，发现在随机初始扰动下，系统会自由发展到具有更高对称性的多边形细胞流型，通过线性稳定性分析得到了三维电热对流中性稳定性曲线。
图2 单周期（左）及大平板内电热对流蜂窝状流动结构
研究成果2：提出了基于线性格子Boltzmann方法的全局稳定性分析新方案，确定了方腔及圆环等基础模型中电热对流线性临界值与最不稳定模态，引入非线性动力学分析方法，探索了非稳态电热对流的流动传热特性及动力学演化规律，确定了电热对流混沌转捩及电湍流几种可能存在的演化路径，为电流体传热复杂不稳定线性现象分析提供理论支撑。
项目团队发展了一种基于线性化格子Boltzmann方法的全局稳定性分析方法，对电对流和自然对流进行了线性模态稳定性分析和渐进能量分析。该方法避免了宏观稳定性分析方法中复杂矩阵运算操作，利用简单的碰撞-迁移过程即可寻找系统的最不稳定模态，有望发展为复杂对流系统全局稳定性分析新工具。探究了圆环结构内电场和热场耦合对流不稳定现象，如图3所示发现在不同的控制参数（T, Ra）下电热对流系统存在七种解的形态，解释为电场驱动的径向对流和浮升力驱动的月牙形对流相互竞争机制引发。
图3圆环电热对流完整解的区间、分岔图谱及各模态能量分析
对于非线性电热对流系统，随着控制参数的逐渐增大，系统将从线性失稳后维持的稳态流动通过二次失稳演变为周期振荡流，随后经过一系列复杂非线性分岔进入混沌状态并最终演化为充分发展的湍流。项目研究确定了电热对流从稳态演化为周期振荡，最终到达混沌状态的过程中存在的非线性分岔路径（如图4所示），进一步，通过对电湍流研究确定了随着电瑞利数的增加，如图5所示系统会经历从电场力支配湍流（电湍流）—惯性湍流的转变，分析发现电湍流具有更高的电荷输运和电能利用效率。
图4 电对流不稳定性和Rayleigh-Taylor不稳定性耦合机制下电热对流进入混沌的拟周期分岔频谱（上）及速度相图（下）
图5 二维方腔内库仑力驱动电湍流
研究成果3：建立了固液两相电热对流新模型，导出了移动固液相界面处电场与电荷分布解析解，搭建了固液两相电热对流实验平台及数值模拟平台，分析了电场激发固液相变过程对流不稳定性机制，验证了电场对部分有机相变材料的强化传热效果，相关理论直接应用于指导部分装置的强化传热设计。
项目组将电热对流理论拓展到固-液两相系统中，针对欧姆固体和非欧姆固体的不同特点，得到了固-液两相电热对流流体静力学解析解，考虑了相界面电荷积聚对于外加电场的影响，分析了相界面移动过程中瞬态相变过程中速度场高频振荡和相界面不稳定性，发现固相区压降会造成介电液体中的有效电场强度降低，并在固液界面上形成非等电势面，对流动传热过程造成显著影响。
设计搭建了单相平板交错电极、针-板电极、固液两相圆柱-方腔电极实验系统（图6），获得了电流-电压、温度场（热电偶和红外热像仪）、速度场（PIV）、固液相界面等关键信息，发现外加6KV高压下，正十八烷熔化时间缩短近50%，而在实验系统所能承受的25KV极端高压下，熔化时间缩短近90%。在此基础上开展性能优化实验，测试了非均匀电场、不同相变材料对于强化效果的影响，获取了较为系统的实验数据库，部分研究成果服务于中国商飞地面云雾环境模拟平台搭建。
图6 单相/两相电场强化传热实验设计（上）实验测试优化（中）以及仿真与实验结果对比
三 、主要创新点
创新点1：构建了单相/固液两相电热流体动力学介观新模型，开发了经典Nernst-Planck方程的介观算法，导出了电热流体动力学Nernst–Planck–Navier–Stokes方程组全耦合LBM方程，为电流体传热数值求解提供了一种新的思路。该模型被包括湍流直接数值模拟国际先驱Riley教授在内的多位学者团队采用，计算结果在近期15篇论文中用作基准解进行模型验证。
创新点2：提出了电热对流全局稳定性、非线性失稳预测方案。建立了基于LLBM的全局线性稳定性分析新手段、首次复现了三维电热对流经典蜂窝状耗散结构、明晰了复杂电流体混沌转捩路径。相关研究成果被美国物理联合会AIP Scilight发表了300字的专题报道。该方法被美国工程院院士、APS会士等知名学者评价为Powerful、Strong capacity、High accuracy、Effective。
四 、应用场景
随着航空航天和微电子技术的发展，特殊环境（真空、微重力、强辐射、强震动等）和极端热流密度下的传热传质过程逐渐引起关注。在这些场合中，传统机械驱动的单相/多相热控系统面临着性能下降甚至无法工作的风险。近年来，基于电场的流动控制和强化传热技术因其稳定性和可靠性等独特优势（无需机械运动部件、低噪声、快速响应等），在航天器热管理、微流控芯片、微机械系统以及精密仪器等多个领域引起了广泛关注。
以基于电流体泵的航天器热管理应用场景为例，如图7所示，美国NASA将电流体泵技术作为微通道液冷或相变冷却的驱动方案之一，用于探索下一代航天器中高功率电子器件的热控，并于近年来在失重飞机、微小卫星以及国际空间站中先后进行了十余次试验，但核心实验数据尚未公布，相比之下，国内在该领域的研究报道较少，可作为电流体传热的潜在应用方向之一。
图7 美国NASA技术路线图中明确列出电流体作为空间热管理潜在技术方案之一（左图），并于2017年和2021年分别在国际空间站上在测试（右图）
