近临界低温流体的活塞效应及在微细通道内的流动与传热研究

开展与近临界低温流体冷却相关的活塞效应及在微细(及异形)通道内的流动与传热研究对充分理解近临界流体的相关热物理特征和在大型超导磁体冷却应用等方面均有重要意义。本研究将从工程热物理、统计物理及低温工程等交叉学科的角度出发，结合实验研究和理论分析等手段，对小型密闭空间中的近临界氮的活塞效应进行详细的实验研究，结合数值计算分析获得临界点附近体积黏性不可忽略情况下，热声波的传播、反射及衰减等规律特性；并和常规流体的热声波动进行比较，可为完善热声理论提供新的思路；通过对近临界氮在内径为1.0-2.0mm微细(及异形)通道内的流动与传热特性的实验和理论研究，并结合可视化研究对近临界氮的赝沸腾及其发生的热力工况范围进行详细实验研究，获得的相关研究结果对应用近临界氮冷却高温超导器件的热稳定性等方面也有借鉴作用。通过本研究可以进一步完善工程热物理学科有关近临界流体的相关认识，促进同其他学科之间的交叉。

开展与近临界低温流体冷却相关的活塞效应及在微细通道内的流动与传热研究对充分理解近临界流体的相关热物理特征和在大型超导磁体冷却应用等方面均有重要意义。本研究从工程热物理、低温工程等学科交叉的角度出发，结合实验研究和理论分析对近临界氮在内径为2.0mm的微细通道内(包括直管和螺线管)的流动与传热特性进行了深入研究，获得了其跨临界的流动与传热特性和机理；建立数学物理模型得到了超临界氦冷却CICCs导体的特性和机理；建立了激光干涉可视化实验台对超临界氮的活塞效应进行了可视化测量研究，同时研究了活塞效应影响作用下超临界氮的自然对流传热机理和特性，得到了活塞效应作用下流体中的温度分布以及不同Ra数下传热特性和机理的变化；建立了完整的数学物理模型对活塞效应及其作用下的自然对流进行了深入的数值计算分析，揭示了多时间尺度下超临界流体的传热机理：包括声学时间尺度(短时间尺度)下超临界流体中活塞效应的机理，从声学时间尺度到扩散时间尺度的过渡，以及在扩散时间尺度上的自然对流现象和机理。结合超临界低温流体的冷却应用对混合工质在低温热管中的传热特性和机理进行了实验研究，发现采用混合工质可以扩大低温热管适用的温度范围；针对高温超导器件的冷却，研究了浆氮在管内的流动与传热现象，获得了相关的特性和机理。本研究共发表SCI论文9篇，论文主要发表在Int J Heat Mass Transfer, Physical Review E等国际期刊上，项目负责人获得2011年教育部自然科学二等奖(排一)，项目负责人受邀在国际会议上就相关研究成果作了大会报告和特邀报告，并担任国际制冷学会A2专业委员会委员，多次担任国际会议学术委员会委员和分会场主席。项目共培养和在读书博士生4人，硕士生4人，博士生两人获得教育部博士生学术新人奖，博士生多人获得中国工程热物理年会传热传质学术会议优秀论文一、二等奖。