2019提名国家自然科学奖项目-微纳尺度相界面作用机理及调控方法

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2019年度国家自然科学奖提名公示材料
项目名称        微纳尺度相界面作用机理及调控方法
提名单位        教育部


提名意见
（不超过600字）        微尺度传热是国际前沿领域，项目从理论、方法及验证三个层面系统研究了微尺度传热中尺度效应和界面效应耦合机理关键科学问题。突破连续介质力学局限性，从普适性角度揭示出边界条件本质，发现边界条件的绝对性和相对性，颠覆了边界条件的错误认识。提出的热边界层再发展概念为降低微通道强化传热引起的阻力惩罚提供了新出路，引领了国际上微通道强化传热并减阻的研究，已扩展应用于换热器设计等。找到了沸腾数作为表征界面效应和尺度效应相对重要性的关键参数，建立三区传热图谱并确定转换界限，对微尺度沸腾传热具有广义指导意义。原创种子气泡传热原理，彻底抑制不稳定性，解决了长期困扰的沸腾两相流不稳定难题。
项目成果指导了863项目研究，研制成功种子气泡脉冲微推进器，在国家重大工程上得到验证。项目成果获教育部自然科学一等奖，被写入29本学术专著。8篇代表性论文总他引796次，SCI他引480次。数学模型被诺贝尔奖获得者Geim AK院士发表在Science的论文引用。成果被评价为“原创, 特别有效, 指导设计，基准数据, 强关联性,关键参数，徐的研究是国际上最有影响的研究之一”等。徐进良四次担任国际会议大会主席，徐进良和王晓东在国内外学术会议上作特邀报告49次。项目促进了微尺度热物理分支学科的发展。
对照国家自然科学奖授奖条件，我部决定提名“微纳尺度相界面作用机理及调控方法”为国家自然科学奖二等奖。


项目简介        微尺度传热广泛应用于紧凑式换热器、微能源系统、芯片冷却等高新技术。在微尺度传热中，由于通道尺寸不断减小引起尺度效应，异相物质在相界面发生能质传递引起界面效应。长期以来，由于对尺度效应和界面效应耦合机理认识不清，使得热学微系统的精确设计与可靠性受到严重影响。本项目在理论、方法、验证三个层面开展系统深入研究。主要内容和发现点有：
(1) 为揭示尺度效应和界面效应影响界面边界条件的物理本质，提出了三原子模型，获得了直接判断滑移或无滑移边界条件类型的准则数。建立分子动力学和连续介质力学耦合模型，获得了边界条件统一性认识，首次发现边界条件绝对性和相对性：滑移长度只取决于界面相互作用强弱，不取决于通道尺寸；随通道尺寸增大，滑移速度无限趋近于0。建立了热边界层再发展概念强化传热原理，突破了微通道强化传热必须以增大阻力为代价的瓶颈。
(2) 研究了硅微通道沸腾传热，揭示出硅表面属性引起的热力学非平衡性是微蒸发器启动过温及不稳定流动的根本原因，发现了角部核化、气泡爆炸及不稳定流动，提出沸腾数作为表征通道尺寸效应和界面效应相对重要性的无量纲参数，建立三区传热图谱并确定转换界限。研究了脉动热管，发现了局部流动方向切换，并确认为维持脉动流动和能量传递的核心机理。
(3) 为解决微蒸发器启动过温及不稳定流动等难题，打破加热表面提供气化核心的传统束缚，原创种子气泡传热原理，将纳米气泡注入微通道，触发过热液体释放能量，将沸腾起始点过热度控制到1K以下，彻底抑制流动不稳定性，并将传热系数提高5倍以上，为微系统提供了全新的调控方法。
本项目理论成果指导了863项目“地铁用模块化半导体照明关键技术研发及示范”，研制成功300W大功率LED冷却器，与热管冷却器相比，LED温度下降20oC, 电光转换效率提高9%，获优秀创新产品金奖。瞄准小卫星轨道和姿态调整，研制成功种子气泡脉冲微推进器。徐进良获2016年度中国产学研合作创新奖。
徐进良连续四年入选爱思唯尔Elsevier高被引学者，作为大会主席四次主持微能源等国际会议。徐进良和王晓东在国内外会议上作特邀报告49次。在2018年2月7-9日美国圣地亚哥召开的国际材料与工程国际会议上，徐进良受邀在微纳米材料与热物理交叉层面上作大会报告。
本项目成果已获教育部自然科学一等奖，被写入29本学术专著和工程手册。8篇代表性论文总他引796次，SCI他引480次。所提出的thermal boundary layer redeveloping, local flow direction switch成为科学术语。滑移长度不随通道尺寸变化的理论发现被美国工程院院士HO C.M.教授的实验所证实，数学模型被诺贝尔奖获得者、英国皇家科学院院士Geim A.K.教授发表在Science上的论文引用，成为确定边界条件的理论依据。热边界层再发展被评价为“原创(novel), 特别有效(particularly useful), 指导设计(guide the design), 显著减阻(significant)”。微尺度沸腾传热被评价为“基准数据(basic data), 建立了流型和传热强关联性(strong link), 沸腾数为关键参数(key)”。种子气泡被评价为“成功(successfully)解决了热控关键难题”。Energy杂志执行主编在Int J. Heat Mass Tran., 2010, 53: 4819-4831上评价道 “在微流体相界面领域，徐的研究是国际上最有影响的研究之一”。


客观评价        8篇代表性论文总他引796次（Google scholar），SCI他引480次（附件3）。48个国家和地区的1597位他引作者中含诺贝尔奖获得者Geim A.K.教授，外籍院士9人，中国院士3人，ASME/AIChE Max Jakob传热纪念奖获得者3人，美国ASME传热纪念奖获得者8人，国际期刊主编、副主编27人，权威学会会士34人。他引期刊包括Science (IF=41), ACS Nano (IF=13.7), Reports on Progress in Physics (IF=14.3)等。他引作者来自美国MIT、布鲁克海文及爱达荷国家实验室、美国陆军结构工程实验室、美国英特尔、杜邦公司、俄罗斯科学院等。
发现点一：发现边界条件绝对性和相对性，建立热边界层再发展强化传热原理
诺贝尔物理奖获得者, Geim A.K.院士在Science, 2012, 335:442-444中指出“基于徐[2]和其他研究者提出的分子动力学模型，可计算水在石墨烯纳米孔中的摩擦流动”。
美国自然科学基金委流体力学项目部主任，俄克拉荷马大学Papavassiliou D.V.教授在Ind. Eng. Chem. Res.,2008, 47, 2455-2477中指出“李和徐提出了三原子模型，获得了新的固液界面边界条件准则数，建立了滑移长度与固液原子相互作用参数间的关系”。
美国工程院院士，加州大学Ho C.M.教授在Phys. Fluids, 2008, 20: 101512中实验证实了本项目发现的边界条件绝对性和相对性，指出“5 μm深的通道未发现滑移，由徐的发现来解释(is explained by)”。
ASME J. Fluid Eng.副主编，美国堪萨斯州立大学Zheng Z.C.教授在ASME J. Fluid Eng., 2010,132: 061201中大篇幅引用代表性论文[1]的数学模型、图及数据，以文[1]的结果为基准验证了他们的结果，指出文[1]发现了边界条件绝对性原理，即滑移长度与通道尺寸无关。
美国乔治亚理工学院校长，美国航天局NASA,能源部DOE,国家工程院NAE咨询委员会委员Peterson G.P.教授在Appl. Phys. Lett. 2016, 108(7):074105指出“徐的研究表明，滑移长度不受通道尺寸影响”。
美国化学工程师学会(AIChE)催化及反应工程第一副主席Mills P.L.教授在Chem. Eng. Sci., 2007, 62: 6992-7010指出“徐提出的热边界层再发展概念对于微换热器设计特别有效(particularly useful)，传热系数可提高十倍”。
Int. J. Multiphase Flow 创刊主编/ASME传热纪念奖获得者Hetsroni G.教授在Int J Heat Mass Tran., 2007, 50: 3100-3114中指出 “徐提出的新模型 (new model) ……在传热极大强化 (greatly increased)的同时，阻力显著降低 (significant reduction in pressure drops)”。
伊朗塞姆南大学Rafee R.教授在Int J. Therm. Sci., 2018, 132:104-116中指出本项目提出的热边界层再发展概念是原创的(novel)。华中科技大学刘伟教授在Appl. Therm. Eng. 2017, 127:1143-1151中指出本项目提出的热边界层再发展概念对换热器的设计具有重要指导意义。
发现点二：发现沸腾传热角部核化、气泡爆炸、三区传热及脉动热管流动切换
Int. J. Therm. Sci.荣誉主编，德国达姆施塔特科技大学Stephan P.教授在Int. J Heat Mass Tran., 2007, 50:226-239中指出“徐给出了清晰的证明 (clear indication)，三角形通道中，气泡产生于角部”；“徐等报道了相界面运动速度的基础数据 (basic data)”。
德国马格德堡流体力学与热力学所Schmidt J.教授在Int J. Heat Mass Trans., 2007, 28: 95-102, ASME杰出贡献奖获得者Bar-Cohen A.教授、Hetsroni G.教授在ASMEJ. Electron. Packag., 2014, 136, 021003 及美国布鲁克海文国家实验室Greene研究员，国际能源署 (IEA)高级流体委员会主席Cho教授等在2011年度传热学进展中均指出： “徐提出的沸腾数是制约微尺度沸腾传热机理的关键参数 (Bo, as the key)，表征了尺度效应和界面效应的相对重要性”。
国际制冷领域最高奖Gustav Lorentzen Medal获得者，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校教授、塞尔维亚Hrnjak P.院士在在Int. J Heat Mass Trans, 2014, 71: 639-652中指出 “徐建立了瞬态流型和沸腾传热间的强关联性(strong link)”。
ASME传热纪念奖获得者，Heat Transfer Eng.编委Thome J.R.教授在Appl. Therm Eng, 2015, 78: 364-372及Energy, 2015, 90: 889-899中共22处评价本项目发现的脉动热管局部流动方向切换(local flow direction switch), 该现象被Thome教授复现，指出“徐等发现的局部流动方向切换是维持脉动流动及传热的根本原因”。
发现点三：创建微通道种子气泡传热原理
印度科学院及工程院Sridharan A.院士在J. Micromech. Microeng., 2011, 21: 035021中共25行评价种子气泡，指出 “徐提出的种子气泡原理，在低频(10 Hz)下减小了压降、进出口温度及加热面温度的脉动幅度，缩短了脉动周期。高频(100 Hz)种子气泡完全抑制不稳定流动(completely suppress the flow instability)，微系统表现出稳定的流动和传热特性”。
ASME J. Heat Transfer杂志编辑，美国亚利桑那州立大学 Phelan P.E.教授在ASME J. Heat Transfer, 2012, 134:122901中指出 “徐采用种子气泡，成功地稳定了流动 (successfullystabilized flow), 降低了壁面温度”。
巴西圣保罗大学Tibiri C.B.教授等在Exp. Therm. Fluid Sci, 2015, 67:48-56中指出“这个结果证实了徐等提出的种子气泡原理的有效性 (corroborates the method proposed by Xu et al. [7] to reduce instabilities by seeding bubbles”。
Therm. Sci. Eng. App.创刊编辑及其它四个国际热科学杂志编委，美国伦斯勒理工学院Jensen M.K.教授在Int J. Heat Mass Trans., 2010, 53: 2347-2360中指出“被动式传热控制压降大，徐提出的种子气泡解决了传热控制的关键难题”。
总之，8篇代表性论文被国际著名学者评价为“novel, basic data, new, key, significant, strong link, successfully, clear indication, completely suppress, particularly useful, guide the design”。边界条件绝对性和相对性的理论发现被美国HO C.M.院士的实验所证实，成为判别边界条件属性的理论依据。提出的“thermal boundary layer redeveloping”及“local flow direction switch”被众多学术论文及英文专著所采用，成为微尺度热物理学科的科学术语。种子气泡原理被评价为解决了微通道沸腾传热不稳定性的关键难题。


代表性论文专著目录
序号        论文专著名称/刊名/作者        年卷页码        发表时间        通讯作者        第一作者        国内作者        SCI他引次数        他引总次数        论文署名单位是否包含国外单位
1        Boundary conditions at the solid-liquid surface over the multiscale channel size from nanometer to micron/ Int. J. Heat Mass Tran./ Xu JL, Li YX        2007,50: 2571-2581        2007-07-
01        Xu JL        Xu JL        徐进良，李玉秀        34        50        否
2        Molecular dynamics simulation of nanoscale liquid flows / Microfluid. Nanofluid. / LiYX,Xu JL, Li DQ        2010, 9: 1011-1031        2010-12-
01        Li DQ        Li YX        李玉秀，徐进良
        75        106        是
3        Microscale heat transfer enhancement using thermal boundary layer redeveloping concept/ Int. J. Heat Mass Tran./Xu JL, GanYH, Zhang DC, Li XH        2005, 48: 1662-1674        2005-04-
01        Xu JL        Xu JL        徐进良, 甘云华, 张大成,
李修涵        81        140        否
4        Flow and heat transfer in microchannels with rough wall surface / Energ. Convers. Manage. / Shen S, Xu JL, Zhou JJ, Chen Y        2006, 47: 1311-1325        2006-07-
01        Xu JL        Shen S        申盛, 徐进良, 周继军, 陈勇        77        138        否
5        Transient flow pattern based microscale boiling heat transfer mechanisms / J. Micromech. Microeng. / Xu JL, Shen S, Gan YH, Li YX, Zhang W, Su QC        2005, 15:1344-1361        2005-06-
01        Xu JL        Xu JL        徐进良,
申盛,
甘云华,
李玉秀,
张伟,
苏秋成        43        66        否
6        High speed flow visualization of a closed loop pulsating heat pipe / Int. J. Heat Mass Tran./Xu JL, Li YX,Wong TN        2005, 48:3338-3351        2005-07-0
01        Xu JL        Xu JL        徐进良,
李玉秀        81        179        是
7        Seed bubbles stabilize flow and heat transfer in parallel microchannels / Int. J. Multiphas. Flow/Xu JL, Liu GH, Zhang W, Li Q, Wang B        2009, 35: 773-790        2009-08-
01        Xu JL        Xu JL        徐进良, 刘国华,
张伟,  
李倩, 王斌        32        44        否
8        Optimal geometric structure for nanofluid-cooled microchannel heat sink under various constraint conditions/ Energ. Convers. Manage./Wang XD, An B, Xu JL        2013, 65:528-538        2013-01-
01        Wang XD        Wang XD        王晓东,
安宾
徐进良        57        73        否
合计                480        796       
主要完成人情况        徐进良：排名第1
行政职务：院长
技术职称：教授
工作单位：华北电力大学
完成单位：华北电力大学
对本项目的主要学术贡献：
项目负责人，对发现点1、2和3做出主要贡献。建立了跨尺度模型，研究了壁面粗糙度对流动传热的影响，提出热边界层再发展概念强化微通道传热，两相流不稳定性，硅微通道沸腾传热机理，原创种子气泡传热原理与方法，发现脉动热管局部流动方向转换等。代表性论文[1,3,5,6,7]的第1和通讯作者，代表性论文[2]的第2作者，代表性论文[4]的第2和通讯作者，代表性论文[8]的第3作者。
李玉秀：排名第2
行政职务：无
技术职称：副教授
工作单位：广东工业大学
完成单位：中国科学院广州能源研究所
对本项目的主要学术贡献：
项目骨干成员，对发现点1、2和3的部分内容做出下列贡献:建立了“三原子模型”及分子动力学与连续介质力学耦合模型；研究了界面效应和通道尺寸效应对沸腾传热的影响；发现脉动热管的局部流动方向转换及气泡通过弯曲界面时的断裂机理。代表性论文[2]的第1作者，代表性论文[1, 6]的第2作者，代表性论文[5]的第4作者。
王晓东：排名第3
行政职务：工程热物理研究中心主任
技术职称：教授
工作单位：华北电力大学
完成单位：华北电力大学
对本项目的主要学术贡献：
项目骨干成员，对发现点3做出主要贡献：提出了微通道传热问题的优化数学模型，考虑工质变物性及流固耦合传热，以流量、泵功及压降为约束条件，以微通道换热器热阻为目标函数，得到了通道数目及几何参数与热阻的最优匹配关系，所提出的优化模型已成为微通道换热器优化问题的基本模型。代表性论文[8]的第1和通讯作者。
甘云华：排名第4
行政职务：无
技术职称：教授
工作单位：华南理工大学
完成单位：中国科学院广州能源研究所
对本项目的主要学术贡献：
项目骨干成员，实施并研究了发现点1和2的部分内容，做出下列贡献：实验验证了热边界层再发展概念强化微通道传热的正确性，发现热边界层减薄是强化传热机理，压力回复是减阻机理；研究了硅基微通道沸腾传热，发现角部核化、气泡爆炸及三区传热规律，提出沸腾数是表征界面效应和通道尺寸效应影响沸腾传热相对重要性的关键参数。代表性论文[3]的第2作者，代表性论文[5]的第3作者。
张伟：排名第5
行政职务：无
技术职称：副教授
工作单位：华北电力大学
完成单位：华北电力大学
对本项目的主要学术贡献：
项目骨干成员，实施并研究了发现点2和3的部分内容，做出下列贡献:提出沸腾数作为表征界面效应和通道尺寸效应影响沸腾传热的关键无量纲参数，发现角部核化、气泡爆炸及三区传热；发现种子气泡具有在极低过热度下触发沸腾，稳定流动传热及强化传热三个功能。代表性论文[5]的第5作者，代表性论文[7]的第3作者。
完成人合作关系说明        “微纳尺度相界面作用机理及调控方法”系徐进良教授带领团队在中国科学院广州能源研究所（2002-2009年）及华北电力大学（2009-2013年）间完成的成果。经协商，两单位对以华北电力大学为第一完成单位，中国科学院广州能源研究所为第二完成单位，以徐进良、李玉秀、王晓东、甘云华、张伟为5位完成人，申报国家自然科学奖无异议。5位完成人合作关系说明如下：
第一完成人徐进良教授与李玉秀、甘云华及张伟为师生关系。徐进良教授全程指导了李玉秀、甘云华及张伟的博士学位论文。李玉秀、甘云华及张伟博士毕业后，徐进良教授继续指导并和他们合作进行微纳米尺度传热的研究。第一完成人徐进良教授和第三完成人王晓东教授是同事合作关系。徐进良教授团队于2010年引进王晓东教授，从此开始合作指导研究生并合作发表研究成果。
以上所述情况属实，两单位及5位完成人对完成单位及完成人排名无异议。