在传统的传热传质系统中，热量靠温差、物质靠浓度差流动，这是工程热物理的基本定律。然而，随着对微尺度、多相界面、非稳态系统的深入研究，科学家们逐渐发现：声波（尤其是高频超声）能作为一种“非接触式物理调控手段”，在强化蒸发、冷凝、换热与物质扩散等过程中发挥出显著作用。
在传统的传热传质系统中，热量靠温差、物质靠浓度差流动，这是工程热物理的基本定律。然而，随着对微尺度、多相界面、非稳态系统的深入研究，科学家们逐渐发现：声波（尤其是高频超声）能作为一种“非接触式物理调控手段”，在强化蒸发、冷凝、换热与物质扩散等过程中发挥出显著作用。
本文将聚焦于声波对传热传质过程中关键物理机制的影响，特别是在蒸发冷凝系统、气液界面迁移、微尺度换热器等领域的最新应用与研究进展。
一、声波是如何影响传热与传质的？
声波对流体的影响主要可归因于三类物理效应：
1. 声致流动（Acoustic Streaming）
当高频声波在液体中传播时，由于非线性传输与粘性损耗，会产生稳定的宏观环形流动。这种流动可打破边界层厚度，强化流动与扩散，提升热传导效率。例如，在热界面附近形成“声诱对流”，能够有效降低局部温度梯度，增强换热。
2. 声空化（Acoustic Cavitation）
在超声作用下，液体中会周期性形成和塌陷气泡，伴随产生局部高温高压。这种剧烈微尺度扰动可产生瞬态微喷射、剪切流、涡旋扰动等，增强液相内部的混合与对流。此外，空化效应在冷凝表面也能诱发冷凝核，促进相变开始。
3. 声压梯度与界面扰动
声波会在传播路径上引起周期性的压强变化，在气-液、液-固界面引发微扰动、波纹、液膜振动等，这些效应能够增加界面面积、打破表面张力束缚、强化物质交换速率。这对于蒸发、冷凝、脱附等过程尤为重要。
二、声波强化蒸发：让液滴更快“变身气体”
蒸发本质上是液体分子从表面跃迁至气相的过程，常受限于温差驱动与液膜厚度。而声波的引入能从多个维度提升蒸发效率：
- 声场驱动液面扰动：在液滴/薄膜表面产生周期性变形，增大实际蒸发面积；
- 微流扰动刷新气膜层：降低液-气界面的传质阻力，提升分子迁移通量；
- 声致内流动输运热量：改善内部热扩散效率，减缓中心温度滞后问题；
- 空化诱导沸腾微核生成：提高过热液体的沸腾起始点，特别适用于低压蒸发工况。
例如，在微热管、柔性散热片、太阳能淡化装置中引入 MHz 级超声波，可观察到蒸发效率提升 20–60%，在无相变的强制对流系统中可进一步提升边界层内的换热性能。
三、声波辅助冷凝：从挂珠到“快冷”的转变
在冷凝系统中，气体分子必须首先形成冷凝核（如表面粗糙点、微孔），然后附着并扩展为液滴。声波在冷凝过程中的作用体现在：
- 声致微振动激活成核点：声波扰动加速表面微缺陷暴露，促进初始液滴形成；
- 声流强化气-液传质层刷新：使得气相分子更快接触冷表面，提升冷凝通量；
- 驱动冷凝液滴滑移/分离：声波能激发液滴共振、脱离表面、减少液膜覆盖时间，实现更高冷凝刷新率；
- 辅助液滴自清洁与集液：在冷凝芯片、光伏冷凝联用器件中实现“无泵”液滴转运。
这些机制对于提升相变换热表面通量、缓解冷凝液积聚堵塞现象极为关键，已在航空电子、电子散热、热电冷凝器等领域被大量研究。
四、典型应用实例与参数优化
| 应用场景 | 声波频率范围 | 核心增强机制 | 效果提升 |
|---|---|---|---|
| 超声辅助热管 | 20 kHz–1 MHz | 强化蒸发段液体流动与薄膜扰动 | 传热效率提升25–45% |
| 雾化冷却蒸发装置 | 40 kHz | 液膜激振+空化气核形成 | 冷却速率提升30% |
| 微通道冷凝模块 | 500 kHz | 液滴分离与传质层扰动 | 冷凝换热系数提升2倍 |
| 太阳能热驱脱盐器 | 20–100 kHz | 声致微对流+毛细回流促蒸发 | 产水量提升60%以上 |
需要强调的是，不同频率声波的作用机制各不相同：
- 低频（<100 kHz）：适用于宏观扰动、大尺度系统（如空化诱导）；
- 高频（100 kHz–MHz）：适合微尺度振动、界面波、毛细场扰动；
- 脉冲/调频声波：可与系统内热惯性时间常数匹配，产生协同效应。
五、挑战与前沿探索
尽管声波强化在实验与部分实际应用中展现出明显效果，但依然面临若干技术瓶颈：
- 能耗与增效的平衡：声波本身需要能量驱动，其对系统的总能效影响需综合评估；
- 声致结构疲劳与噪音问题：高频振动可能对器件寿命与稳定性带来负面影响；
- 声场均匀性与耦合效率优化：难以在复杂几何中维持有效声压分布；
- 多相体系中声波传播建模复杂：气泡–液滴–固体的协同振动行为尚待深入理论描述。
为此，研究者正在结合CFD建模 + 声场仿真 + 机器学习优化结构设计，探索适用于声波传热传质系统的材料、几何与驱动策略。同时，也有研究提出构建声-电双场耦合换热器、可调谐声波界面膜等新型结构，实现定向冷凝、局部强化与动态调控。
