超声波强化换热研究进展

陈真真，陈洪强，黄 磊，郝南京✉

1) 西安交通大学化学工程与技术学院，西安 710049 2) 中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术联合国家重点实验室，上海 200050

随着现代科学和工业技术的迅速发展，微电子器件在信息、航空航天、能源和化工等领域发挥着越来越重要和广泛的作用.为了满足实际应用需求，微电子器件的集成化和高频化程度在不断提高并且特征尺寸在不断减小，导致了热流密度也越来越高.高热流密度不仅会严重制约微电子器件的性能，而且对芯片的寿命、可靠性和安全性带来不利影响.鉴于传统的风冷和液冷技术很难满足这些高性能微电子器件的散热要求[1]，如何实现高效换热已成为全球高科技产业甚至整个国民经济发展的关键问题.

近年来，国内外学者对换热过程强化技术开展了大量的研究并提出了多种无源换热过程强化技术，包括基于换热元件结构[2]、表面疏水性[3]、纳米流体工质[4]、表面粗糙度[5]和换热通道尺寸的调控等[6].尽管取得了一系列重要的研究发现，但是这些无源换热技术在不同程度上增加了流动阻力，从而极大地限制了其应用潜力[7].为了改善系统的综合换热性能，亟需进一步发展新型强化换热原理与技术.超声波具有成本低、使用简便、操控灵活、穿透性强和无污染等特点，在材料[8]、国防与交通[9]以及医疗诊断与环境等领域[10]发挥着重要应用.超声波作为一种有源强化换热技术可以对传热过程进行精确控制，如通过改变超声换能器的工作位置和方向可以对特定区域的换热性能进行调节，通过施加不同的工作电压和频率可以对热交换的速率进行控制，以及通过调整超声换能器的数量和类型可以对不同热沉进行热管理，因此逐渐受到研究者的关注和重视.目前，超声波与散热技术相结合可以有效地实现单相对流和沸腾换热过程强化，并成为解决微电子器件散热冷却问题的重要途径[11].

本文对超声波激励换热过程强化的研究进展进行了系统综述，包括单相气体对流、单相液体对流、池沸腾和流动沸腾强化换热过程.首先对超声波强化换热的主要机理进行详细介绍，然后对超声波技术在单相对流换热和沸腾换热方面的理论和实验研究进行着重总结和分析，最后对超声波激励换热过程强化存在的问题挑战和未来的发展思路进行深入讨论，以期为构建高性能和实用化的强化换热体系提供新的研究思路.

1 超声波强化换热机理

超声波是一种短波长的机械波，通常的频率范围在20 kHz 到100 MHz 之间，并且在介质中具有良好的穿透性、方向性和聚焦性.超声波在介质中传播时会产生很多效应，如声空化（Acoustic cavitation）、声流（Acoustic streaming）、热（Heating）和雾化（Nebulization）等.超声波强化换热应用主要涉及声空化效应和声流效应（图1(a)）[12].

超声空化是超声波在液体介质中传播时产生的主要现象，涉及空化汽泡的形成、生长、振荡和崩溃等一系列物理化学变化过程.声空化汽泡的产生通常是由于声波产生的压力波在液体中机械振动造成的压强变化引起的.汽泡的大小与温度、压强和气体溶解率等密切相关.空化汽泡的尺寸一般在10-4m，汽泡崩溃的时间在微秒级，因此瞬间产生的射流速度可以达到100 m·s-1，而且局部的压力可以达到接近200 MPa[13].超声空化过程还可以产生明显的湍动效应、微扰效应和界面效应：湍动效应是声冲击波引起体系的宏观湍动致使边界层减薄并增加传质和传热效率；微扰效应是超声空化的微扰动作用强化扩散速率；界面效应是声空化引起的微射流致使新的活化表面产生并带来换热表面积的增加.声空化强化换热就是通过这些因素减薄热边界层、降低热阻、增加对流速率和提高热扩散效率实现强化换热效果（图1(b)）.另外，研究者也提出基于缩合链式反应的声空化强化换热机理：当远离壁面时，空化汽泡在链式反应过程中进行缩合；当空化接近壁面时，空化汽泡变形生成较小尺寸的汽泡使热边界层变薄以及导致热阻降低，同时结合微射流作用提高换热性能[14].

图1 (a) 超声波产生的空化效应和声流效应；(b) 声场空化强化换热原理；(c) 声流强化换热示意图[12]Fig.1 (a) Acoustic cavitation and acoustic streaming effects excited by ultrasound;(b) principles of heat transfer enhancement by acoustic cavitation;(c) schematic diagram showing the acoustic streaming enhancement of convective heat transfer[12]

声流是指超声波在介质中传播时引起的与时间无关的非周期性稳流现象.声流现象一般发生在自由非均匀声场中或者各种固体障碍物附近[11].声流通常包括体声流（Bulk streaming）和微声流（Microstreaming）：体声流是由自由空间中声波的衰减或者因固体与介质之间的相互作用引起，而微声流是与微小空化汽泡在介质中运动产生的局部流动有关.声流速度取决于超声波的功率和频率，通常在1～100 cm·s-1[12]，声流的速度直接决定了体系中对流换热的效率.当声流效应作用在固体热表面时，附近的液体会产生扰动现象并提高汽泡脱离固体表面的效率，进而实现换热过程强化的效果（图1(c)）.

2 超声波强化单相气体对流换热

单相气体对流换热是指气流经过物体表面时，气固界面发生热量传递，超声波的引入主要通过声流效应提高换热效率.Vainshtein 等[15]较早地对平板间超声波强化换热进行了数值模拟分析，当声波方向与平板间气流流动方向平行并且平板间的距离远小于声波波长时，声波的存在会导致强制热对流现象（图2(a)），而且对流换热的效率与声幅值和频率的平方根成正比.刘峰和李学敏[16]利用时空守恒元解元（Space-time conservation element and solution element）算法在类似的条件下研究了二维平板内驻波声流对传热的影响，结果也证实了驻波声流可以显著地加快对流换热并能够有效地降低流场中的热量.除了声流与气流方向平行的情形外，研究者也对声流与气流方向垂直的情形进行了分析[17-19].Rahbari 等[17]对平行平板内的气流施加了垂直方向的脉冲声场（图2(b)），模拟分析发现声场的引入对湍流动能、湍流热流密度和雷诺剪切力产生了显著影响.Aktas 等[18]利用通量校正传输（flux-corrected transport）算法证实超声波产生的声流现象可以提高矩形通道内氮气气流的热交换速率.杨延锋等[19]采用分离时间尺度（Time-scale decomposition）数值方法对行波场中单换热管外声流强化传热进行分析，结果表明以空气为介质的换热管的换热效率随着声激励频率和声压的增加分别呈指数式降低和指数式增加的趋势，低频声波可以在换热管边界层内、外形成强烈声流扰动，进而极大地强化了热运输性能.另外，Rulik 等[20-21]提出了空穴结构作为声波发生器用于强化换热的设计（图2(c)），在30～70 m·s-1空气介质流动条件下冷却性能明显提升，而且温度场分布的均一性也显著提高.这些数值模拟分析结果证实了超声波声流效应可以强化气体对流换热性能.

图2 (a) 声波方向与气流平行的两平板间换热分析[15]；(b) 声波方向与气流垂直的两平板间换热分析[17]；(c) 基于空穴的声波强化换热数值分析[20]Fig.2 (a) Heat transfer between two parallel plates with wave propagation along the longitudinal direction[15];(b) heat transfer between two parallel plates with wave propagation along the spanwise direction[17];(c) heat transfer enhancement using acoustic waves in a cavity[20]

在超声波强化单相气体对流换热的实验研究方面，目前国内外学者已经开发了不同的实验装置体系.Lemlich 和Hwu[22]等较早地研究了声场的振动对换热性能的影响，结果发现声场的引入可以使对流区和湍流区的努塞尔数（Nusselt number）分别提高51%和27%，而且换热性能随着声幅和共振频率的增加而提高.Mozurkewich[23]观察了驻波对换热管性能的影响，换热系数随着声幅发生显著变化，在低声速条件下自由对流占主导，而在高声速条件下换热性能取决于时间平均稳态流当量（Time-average steady-flow equivalent）.Loh和其他研究人员[24-27]开发了不同超声弯曲振动产生声流的装置用于强化对流换热（图3(a)～(b)）.基于锥形喇叭超声振动装置证实声流速度与振幅和波长的平方成正相关且与激发频率成负相关的关系，在频率为28.4 kHz 和铝振动梁振幅为25 μm的情形下温度可以在4 min 内降低40°（图3(a)）；将热源置于超声振荡器和铝振动板正上方时（图3(b)），在频率为30 kHz 的情形下，纵向声振动也可以快速引起声流现象并导致温度显著下降，而且冷却性能与超声振荡器和热源之间的距离密切相关，距离为超声波半波长的整数倍时冷却效率最高[25,27].除了超声波外，研究者也开发了基于扬声器（工作频率＜20 kHz）的不同声波强化换热装置体系[28-30].如Gau 等[29]研究了声波激励对狭槽气体射流冲击冷却的影响，在固有频率时换热性能随着声压水平的增加而提高，在非固有频率时换热性能随着声压水平的增加而降低；Komarov 和Hirasawa[30]将预热的钯线置于频率范围为216～1031 Hz驻波的反节点或者频率范围为6.9～17.2 kHz 行波传输路径时，气相换热速率随着声场强度的增加而提高，并且声波对强化换热的影响随着气流速度的增加而减小；Roux 等[28]设计了收缩喷嘴和长管喷嘴类型的声激励冲击射流强化换热装置（图3(c)），高速颗粒成像测速和红外热成像结果证实收缩喷嘴可以增强湍流强度进而提高换热效率.这些结果不仅证实了声波可以有效地通过声流作用促进气固界面强化换热，而且揭示了声激励换热结构体系合理设计的重要性.

图3 (a) 锥形喇叭超声振动强化换热实验装置[24]；(b) 纵向声振动声流换热实验装置[25]；(c) 收缩喷嘴（上）和长管喷嘴（下）类型的声激励冲击射流强化换热装置[28]Fig.3 (a) Experimental setup demonstrating conical horn-based ultrasonic vibrations for convective transfer enhancement[24];(b) experimental setup for the acoustic streaming-induced heat transfer by longitudinal ultrasonic vibration[25];(c) impinging jet heat transfer with contraction nozzle under acoustic excitation (up) and long tube nozzle (down) types[28]

3 超声波强化单相液体对流换热

单相液体对流换热是指液体流经物体表面时，液固界面发生热量传递并且整个过程液体无相变发生，超声波的引入通过声空化和声流效应提高对流换热效率.从理论层次方面，研究者提出了一些基于体声波（Bulk wave）[31-32]和表面声波（Surface acoustic wave）[33-34]的超声波强化换热体系.Cai 等[31]以水为工质在方形区域内进行了声空化强化对流换热数值建模分析（图4(a)），研究发现声场可以通过空化汽泡崩溃产生射流束提高液体温度分布均一性和加热面的换热系数.Kumar等[32]提出超声体力通过引起非均质流体的声重定位现象（Acoustic relocation phenomenon）实现强化换热，当超声驻波垂直于换热方向时超声换热的效率分别可以达到自然对流换热和传导换热的2.5 倍和11.2 倍，但是当声波平行于换热方向时对流换热就会受到抑制，因此这个换热机制为微重力下无自然对流情形时的热管理体系构建提供了重要思路.对于表面声波换热体系，目前的研究相对较少并且基本都集中在微通道对流换热方面.Li 等[33]在铌酸锂基底上设计了驻表面声波微通道热沉（图4(b)），利用微扰理论（Perturbation theory）证实驻表面波可以显著增强整体换热性能；当通道高度恒定时，波长越短或者微通道越窄对换热性能越有利；保持微通道宽度和波长不变时，微通道横截面越大换热效率越高，其原理在于声流可以诱导产生声涡以及破坏热边界层.Das 等[34]对表面声波驱动微通道内的换热现象进行了多尺度微扰理论分析，在固定通道长宽比的条件下，系统尺寸越大声能转换为内能的效率越高，进而导致通道内液体问题的上升；增加表面声波的频率可以引起声能密度增加并因此引起温度上升.这些结果从理论角度验证了超声波可以通过声空化和声流效应强化换热.

图4 (a) 超声振荡空化强化换热数值分析模型[31]；(b) 表面声波驱动微通道热沉换热过程强化数值研究[33]Fig.4 (a) Numerical modeling of ultrasonic cavitation for improving the convection heat transfer[31];(b) numerical study of the surface acoustic wavedriven microchannel heat sink for heat transfer enhancement[33]

对于超声波强化单相液体对流换热的实验研究，国内外学者已提出多种不同类型的实验装置体系.目前研究相对较多的是声空化和声流效应对水平圆管的单相对流换热强化[35-40].如Fand[36]和Richardson[37]较早地以水为工质分别证实了超声波振荡引起的声空化和声流效应可以有效提高水平圆管的换热性能.周定伟等[39]对声空化场强化水平圆管单相液体对流换热做了一系列系统的研究，结果发现声空化强化单相对流换热性能随实验工质不同可以产生明显变化，效果最差的是水，丙酮居中，无水乙醇换热性能最佳；水平圆管的单相对流换热强化效率与声空化场作用距离、强度、方向和液体温度密切相关[38]，当超声换能器在圆管中央时换热性能最好[35]（图5(a)）.Dhanalakshmi 等[40]在低频超声波（20～33 kHz）条件下对以水为工质的炉管强化换热性能进行了分析，结果发现超声只在近静态和低雷诺流动条件下具有显著强化换热效果，当流速增加时声空化和声流效应对强化换热的影响快速降低.另外，Nomura等[41]提出了喇叭状超声发生器单相液体对流强化换热装置（图5(b)），结果证实声射流可以使自来水和脱气水工质的换热效率提高近10 倍；Xian 和其他研究人员[42-44]]设计了基于超声波换能棒的声空化强化振荡流热管换热装置体系（图5(c)），以无水乙醇或者二次蒸馏水为工质时声空化振荡热流管的换热性能均优于常规振荡热流管.除了低频超声波之外，高频超声波（＞1 MHz）装置也被成功用于强化换热[45-47].如Monnot 等[45]构建了带有冷却螺旋线圈的高频超声冷却体系（图5(d)），在1.6 MHz的工作频率下超声场可以将螺旋线圈的整体换热系数提高至100%；Bulliard-Sauret 等[46]以自来水为工质利用颗粒成像测速技术证实了2 MHz 超声波可以增加对流换热系数；Rahimi 等[47]将钯线浸没在去离子水中并观察了置于不同位置的1.7 MHz超声换能器对换热性能的影响，结果证实圆柱容器侧壁的超声换能器比底部的超声换能器具有更高的换热效率.此外，＜20 kHz 的声波装置也能显著提高水工质[48-49]和煤油工质[50]体系的换热性能.这些实验结果不仅验证了声空化和声流效应可以有效强化单相液体对流换热过程，而且从不同角度揭示了实验条件（如工质类型、换能器位置和作用距离等）对换热性能具有重要影响.

图5 (a) 声空化强化水平空管对流换热[35]；(b) 喇叭状超声发生器强化换热[41]；(c) 声空化强化振荡流热管换热[42]；(d) 高频声波强化换热实验装置[45]Fig.5 (a) Augmentation of convective heat transfer by acoustic cavitation from a horizontal circular tube[35];(b) enhancement of ultrasonic heat transfer enhancement with a horn-type transducer[41];(c) heat transfer enhancement of oscillating flow heat pipe by acoustic cavitation[42];(d) experimental setup of heat transfer enhancement using high-frequency ultrasound[45]

4 超声波强化池沸腾换热

池沸腾指将加热壁面沉浸在无宏观流速的液体中所发生的沸腾，超声波一般通过声空化效应强化换热过程.Wong 和Chon[51]较早地用电加热的钯线对水和甲醇工质的超声振动池沸腾进行观察，结果证实空化汽泡的产生可以显著提高池沸腾的换热性能.李长达等[52]以去离子水工质证实了超声波对池沸腾强化换热作用随着液体过冷度的减小而减弱，而且随着超声功率的增加和作用距离的减小，超声波强化沸腾换热性能逐渐提高.Lin 等[53]对盘管式热交换器的超声波强化换热进行了数值分析，由于声空化和声流的作用，当超声处理0.005 s 后换热强化因子可以达到24.26%，而且换热强化因子随着声振幅和压力的增加而增大.

对于水平圆管的超声波强化池沸腾换热，目前国内外学者已经进行了系统的研究.Zhou 等[54-56]对不同实验条件下的声空化强化池沸腾换热进行了大量实验分析（图6(a)），结果发现：以丙酮为工质时铜纳米颗粒的添加不会改变水平圆管沸腾换热性能随声空化场方向、强度和液体过冷度变化的趋势，而且沸腾换热性能随着纳米颗粒的增加呈现先降低后提高的趋势；超声换能器远离实验件时声空化对沸腾强化换热的作用降低，进而导致沸腾起始温度和热流密度随着声空化效应的减弱而增加[57-58]；声空化场可以强化浸没在多孔介质中水平圆管的沸腾换热性能，但也受到超声换能棒与实验件的距离与方向以及声空化强度等因素的影响[59]；声空化强化沸腾换热是由汽泡核化位点和实际换热面积的变化引起的，进而影响到汽泡的形成和脱离效率[55,60-61].孙宝芝等[62]分析了以乙醇为工质声空化条件下水平铜管的池沸腾换热行为，研究发现声空化对过冷沸腾有显著强化作用；当处在核态沸腾时，声空化对沸腾起始区的强化率最大，但是强化率随着热流密度的增加而逐渐减小；当热流密度相等时，强化率随着声空化强度的增加而逐渐增大.另外，Baffigi 和Bartoli[63]以水为工质并对水平圆管施加40 kHz 的超声波，结果证实了饱和池沸腾条件下的换热系数低于过冷沸腾，而且超声波的强化换热性能随着过冷度接近饱和逐渐降低.这些研究从不同角度揭示了超声波可以通过声空化效应强化水平圆管的池沸腾换热性能.

图6 (a) 水平铜管声空化沸腾换热强化[54]；(b) 翅片管超声波强化池沸腾换热[64]；(c) 电声耦合强化换热，c1-c3 为介电润湿和声激励条件下汽泡的级联行为[65]；(d) 微重力池沸腾换热过程中空化汽泡分布(红圈内是声压反节点处空化汽泡区域;红色箭头是汽泡向反节点的运动轨迹)[66]Fig.6 (a) Boiling heat transfer enhancement of heated horizontal copper tube via acoustic cavitation[54];(b) boiling heat transfer enhancement of a fin tube under ultrasound[64];(c) integrated electric and acoustic actuation for heat transfer enhancement,c1-c3 are the sequential steps of bubble behavior by dielectrowetting and acoustic excitation[65];(d) distribution of cavitation bubbles during the microgravity pool boiling heat transfer process (red circles indicate the regions of bubble cavitation at antinodes;red arrow indicates the trajectory of a bubble formed at the heater towards an antinode)[66]

对于超声作用下不同粗糙度表面的池沸腾换热，研究者提出了不同类型的实验体系.张佳等[67]以水为工质观察了不同粗糙度平板作为加热壁面的池沸腾换热，超声波引起的声空化和声流效应可以显著提高池沸腾换热性能，但是无超声作用下表面粗糙度仅能在一定水平上强化过冷沸腾起始段和核态沸腾段的换热；与高热流密度沸腾换热相比，超声波能够更加有效地强化沸腾起始阶段的换热性能，而且超声辐射距离越近或者强度越大，强化换热效果越好[68].Boziuk 等[69]对光滑平面和表面嵌刻微通道特征平面的池沸腾换热进行了对比，在无超声的情形下，表面嵌刻微通道特征平面比光滑平面的换热性能提高了218%，超声波的引入可以将光滑平面和表面嵌刻微通道特征平面的池沸腾换热性能分别提高66%和31%；超声波强化换热的机制可以归因于声场产生的毛细波和辐射压力，进而有效地促进了汽泡从加热表面脱离并抑制了大汽泡柱和蒸汽膜的形成[69-70].Wan等[64]对比了不同类型铜管的池沸腾超声波强化换热性能（图6(b)），三维翅片铜管比光滑铜管和螺纹铜管具有更高的超声波强化换热效率，而且21 kHz比45 kHz 工作频率的超声换热性能要高，90 W 比30 W 功率的超声换热性能要高[71].这些研究突出了换热器的表面结构设计对超声波强化换热的重要性.

除了上述常规的超声波强化池沸腾换热外，研究者也报道了电声耦合池沸腾换热[65]和微重力超声池沸腾换热[66,72-73].Hyun 等[65]利用电和声协同驱动加速汽泡脱离以实现强化换热（图6(c)），介电润湿和声激励分别用于将汽泡从底物上脱离和转移分离的汽泡，进而将大量热量快速传递出去.对于微重力超声池沸腾换热，Sitter 等[72]较早地用钯线加热器以FC-72 为工质进行了实验观察，结果证实了声场可以有效地在微重力环境下维持核态沸腾，而且当钯线位于声压反节点时换热效率最高；Moehrle 和Chung[73]用同样的实验条件证实了在空间微重力环境下声场可以用于维持核态沸腾过程，微重力沸腾临界热流密度随着声幅值的增加而提高，而且汽泡在微重力环境下可以汇集至声压节点处；Quintana-Buil 和González-Cinca[66]以HFE-7100 为工质进一步验证了当工作频率为压电换能器额定频率时强化换热性能最高，微重力条件下铝基底比聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基底作为加热器材料具有更稳定的振幅，而且空化汽泡集中在声压反节点处（图6(d)）.这些实验结果揭示了超声波不论在地面常重力环境还是在空间微重力环境下都具有显著的强化换热性能.

5 超声波强化流动沸腾换热

流动沸腾指液体工质在流动过程中被加热，超声波通过声空化和声流效应实现流动沸腾强化换热.近年来，流动沸腾特别是微通道流动沸腾热沉装置受到了国内外学者的广泛关注，但是超声波对流动沸腾换热影响的研究仍然相对较少.Fogg 和Goodson[74]较早地提出了与经典“水锤（Water hammer）”理论类似的声压力波模型用于预测其对汽泡成核速率和微通道流动沸腾换热系数的影响，结果证实微通道体系的换热性能与系统结构设计密切相关.Shariff[75]观察了声场条件下微通道内制冷剂混合物R-407C 的过冷沸腾和饱和沸腾换热性能，过冷沸腾阶段热流密度提高45%时换热系数提高13%，饱和沸腾阶段热流密度提高53%时换热系数提高21%，而且对于过冷沸腾阶段和饱和沸腾阶段，换热系数随着工作频率的提高而增加.Qu 和Qiu[76]设计了基于微加热器和温度传感器阵列的微室流动沸腾超声波强化换热实验装置（图7(a)），微加热器可以产生热汽泡，贴附在微室壁的压电陶瓷片通过产生声场作用力与马兰戈尼力（Marangoni force）协同促进汽泡运动进而强化换热性能.Zhou 等[77]以R-141b为工质构建了多个超声换能器置于微通道正上方的流动沸腾热沉（图7(b)），超声空化使微通道内出现更多的汽泡并使核态沸腾区沿流动方向前移，而且超声场使汽泡撞击通道壁的运动速率提高了31.9%，这些结果使超声波强化流动沸腾换热性能增加了53.9%.Yu 等[78]将两个超声换能器分别置于微通道阵列的入口和出口处并构建了R-141b 为工质的微通道热沉（图7(c)），流动可视化分析揭示超声波可以加速汽泡运动、促进汽泡从加热壁表面脱离和新汽泡的产生以及降低受限汽泡的长度，另外超声波强化换热性能与热流密度和超声工作频率负相关，而与超声功率和辐射角度正相关.这些研究发现不仅证实了超声波可以有效地强化流动沸腾换热，而且强调了微通道热沉的结构设计对于流动沸腾换热的性能至关重要.

图7 (a) 基于微加热器和温度传感器阵列的微室流动沸腾超声波强化换热实验装置[76]；(b) 声场垂直于流动方向的流动沸腾换热强化微通道热沉[77]；(c) 声场平行于流动方向的流动沸腾换热强化微通道热沉[78]Fig.7 (a) Experiment setup in a mini chamber demonstrating the enhancement of boiling heat transfer under ultrasound fields [76];(b) enhancement of flow boiling heat transfer in a mini-channel heat sink with an acoustic field perpendicular to the flow direction[77];(c) enhancement of flow boiling heat transfer in a mini-channel heat sink with an acoustic field parallel to the flow direction[78]

6 结论

超声波技术以其成本低、使用简便、操控灵活、穿透性强和无污染等特点在近年来引起研究者的广泛关注，超声波强化换热也逐渐成为解决微电子器件冷却热管理问题最具潜力的方法之一.本文对超声波激励换热过程强化的研究进展进行了系统综述，对超声波强化换热的声空化和声流效应机理进行了介绍，并将超声波技术在单相气体对流、单相液体对流、池沸腾和流动沸腾换热过程中的理论和实验研究做了全面总结和分析.尽管取得了一系列重要的研究成果，但是超声波强化换热技术仍然面临诸多挑战.下面列举了存在的一些具体问题和未来潜在的发展方向，为构建高性能和实用化超声波换热体系提供相应的参考.

(1) 在超声换热的数值模拟理论分析方面，目前考虑的物理模型仍然相对较为简单，因此不能准确地反映出实际的强化换热效果，未来的研究需要尽可能地综合考虑声-热-力-流等多物理场环境下的建模分析，为声场强化换热技术的工程化应用提供科学的理论基础和技术支持；在超声换热的实验现象观察方面，现有的研究主要集中在高速颗粒成像测速技术和红外热成像技术，观测手段仍然非常单一，为了对超声波强化换热过程进行更精确地分析，亟需发展并整合新型的可视化测试手段.

(2) 对于超声波强化换热的机制，研究者目前主要集中在声空化和声流效应，对于其他效应（如热效应、机械效应和化学效应等）的关注度很少，而这些效应对于深入地揭示超声波强化换热机理以及高性能超声波强化换热装置的设计至关重要，因此未来的研究应对这些声效应进行全面地分析.

(3) 研究证实超声换能器的类型、工作频率、功率、作用距离、位置和数量等都对换热性能产生重要的影响，未来超声波强化换热体系的合理设计需要对这些因素进行全面的考虑；除了超声换能器外，不同的实验条件如工质的类型、液体过冷度、换热管的结构、加热器的材质以及整体实验件的结构等都直接影响到超声波的换热性能，因此综合评价分析这些实验条件对于构建高性能热沉至关重要.

(4) 大量的超声波强化换热理论与实验研究证实了超声波在地面常重力环境和空间微重力环境下都可以有效地强化换热性能，但是现有的研究基本以实验室阶段的基础研究为主，目前仍无超声波换热技术工业级应用的报道，为了进一步挖掘超声波强化换热体系的应用潜力并推动其产业化，亟需声学、机械、电子和能源等不同学科的研究者进行广泛交流与合作.