大量化石能源燃烧产生的二氧化碳可导致明显的温室气体效应。近期研究表明，二氧化碳浓度在近几十年内快速升高到350ppm左右。如果不采取有效措施，二氧化碳排放导致的温室气体效应，可能使地球温度上升2℃,引发大量风暴、洪水等灾害，地球将不适合人类居住。

大规模开发利用新能源，成为减少CO₂排放的重要途径。有效利用新能源（如太阳能、地热能）的热能，可发展新能源规模化发电并网、分布式新能源发电系统、新能源热能驱动的海水淡化系统、太阳能热聚焦制氢系统、新能源建筑节能系统等。理论上，新能源最大限度来自于自然界中的天然资源，品位低及间歇性和波动性成为新能源热发电及利用的最大特点。由于这些特点，使得新能源发电及利用系统存在成本高、可靠性低等劣势。另外，庞大的设备体积使得热系统的热响应速度慢。这些不利因素都限制了新能源的规模化开发和利用。

新能源热发电及利用对传统的热机理论提出了新的机遇和挑战，一方面，由于新能源热源与环境温度的温差较小，系统设计需要部件的火用损失（能量的品位损失）小 ，另一方面，部件的性能提升（火用效率高）需要在小温差下传递热能。相变传热（蒸发和冷凝）是实现低温差热能传递的有效手段。人们需要探索新的机理和方法，来应对新能源利用中热能的传递与转换。例如，在太阳能槽式集热器驱动的有机朗肯循环发电系统中，有机工质相变传热系数甚至比以水为工质的对流传热系数要低。

在以蒸汽机为特征的后工业革命时代，人们已对热能的传递及转换进行了大量研究，然而，热能的高效传递及转换存在着长期难以解决的科学问题，体现在：（a）对于单相传热，存在“中心区流速大，近壁区流速小”的速度分布，这对能量传递是不利的；(b) 对于相变传热，存在“气相在中心，液体在管壁”的相分布，导致管壁厚液膜的恶化传热。

现已批量使用和正在研究的各种强化传热技术都不能从根本上解决以上科学问题。解决上述科学问题的出路在于寻求新理论和新方法。新能源电力系统国家重点实验室的研究人员，在经历了十多年微纳米尺度流动与传热研究的基础上，在国际上最先尝试向传热管中引入丝网微孔结构，丝网由成千上万个微米级孔隙组成，以调控管内的速度和相分布，并由此初步形成流型协同理论和方法。

流型协同理论体现了换热设备性能与流动结构的协同，为强化传热提供了新的思路，可能形成多相流动新的学科分支。所形成的技术能够大幅度提高部件的性能，在提高设备效率和可靠性、减小设备体积、使换热设备和系统具有良好的动态响应方面具有重要意义。

1. 流型协同实施

我们在经历了十多年微纳米尺度流动与传热研究的基础上，首先尝试了在传热管中悬空放置单层金属丝网圆柱体，如图1所示，将传热管横截面划分成丝网中心区及丝网与金属壁面之间的环隙区，从而形成了“中心区流速小，近壁区流速大”的速度分布，与能量传递相协同。对于多相流动，实现了“气在管壁，液在中心”的相分布，与优良传热性能所协同。在环形间隙内流动的气泡与管壁间形成了薄液膜，实现了薄液膜强化传热的极好传热模式。

图1流型协同传热管（徐进良等，美国专利授权）

1. 流型协同科学原理

丝网微孔结构调控速度及相分布的科学原理在于：在气泡从“大尺度空间”向“小尺度空间”挤压的过程中，需要克服很大的表面能，这意味着，在常见工程流速下，气泡很难突破表面能增大的限制突破到丝网内部，而只能在管壁附近的环隙区流动。另一方面，丝网微孔结构对于单纯的液体具有“呼吸”作用，液体通过丝网微孔的流动，有效促进了液体沿着传热管径向与轴向的交换，并可能诱发液体在中心区的脉动流动。液体交混及脉动流动构成强化传热的第二个重要机理。图2给出了气泡从管内大空间向丝网微孔区间突进过程中表面能增大的科学原理。

图2 气泡从管内向微孔突进过程中所需的表面能

气泡从状态A突进到状态B过程中，表面压差值和表面能差值分别为

1. 流型协同实验研究

为验证以上思想，我们已进行了一系列实验。首先进行了水平管内流型协同的实验研究，水平管低流速下产生分层流动，传热管只在被气体覆盖的区域有效，而被液体覆盖的区域几乎完全失去作用；然而，在经过丝网微孔结构调控后，液体被全部吸入到丝网内，而使整个传热管完全暴露在气体中，形成“气托液”的模式，使整个传热管变得有效。另外，在较高流速下，丝网微孔结构将厚液膜弹状流调控为马鞍形气泡，马鞍形气泡在环隙区流动，增大了气相与管壁的接触面积，形成了薄液膜强化传热模式。丝网结构还有助于在环隙区聚合小气泡，为避免小气泡进入循环泵引起气蚀具有重要作用。图3表示分层流下液体全部被吸入丝网内，形成气托液模式。

图3 分层流的流型调控模式

对垂直管的流型协同进行了实验研究，发现丝网微孔结构可成功拦截任何形状及大小的气泡。研究人员在丝网中心植入示踪粒子，发现丝网中心确实产生了自维持的脉动流动，形成了薄液膜+脉动流动的双重强化传热模式及机理。

已进行了大量以有机工质（如R123,R245fa）及水的单相对流传热、冷凝传热、沸腾传热实验，取得了非常理想的结果。与光管相比，传热系数提高了4倍以上，传热阻力性能指标为2以上。