研究背景：

• 多孔介质中的热传递广泛存在于自然界与众多重要技术领域中，是传热领域的学术前沿和热点
• 航天航空、先进核反应堆、燃料电池、地下能源资源开采等高新技术的发展，对多孔介质中热传递机理的研究提出新的挑战：极高热流密度加热和强内部热源引起的局部非热平衡效应、多孔介质结构尺度的微纳化以及多孔介质内工作流体的多样性，亟需发展新的理论、模型和方法

研究成果：

1、揭示出影响多孔介质中对流换热的本质是多种因素间的竞争机制，提出颗粒直径对多孔介质对流换热影响判据

图1  微多孔介质中流体-固体内部换热努谢尔特数      

       得到气体在微米孔内换热系数低于宏观尺度经典理论值的物理条件。发现努森数大于0.01时，速度滑移和温度跳跃使气体在微多孔内部对流换热减弱。提出微多孔中流-固对流换热系数计算模型。建立起完整的微多孔介质对流换热局部非热平衡模型

2、建立了多因素耦合影响的多孔介质对流换热局部非热平衡模型和热边界条件模型

图2 多孔介质换热壁面热分流机制和边界条件模型

       系统提出并验证多孔介质换热壁面上的热分流机制：发现对于非烧结多孔介质，换热界面上由固相和流体相传递的热流密度近似相等，而温度相差较大，应采用等热流密度边界条件；对于烧结多孔介质，换热界面上流-固两相局部温度近似相等，而热流密度相差很大，应采用等温边界条件

3、提出调控孔隙率的思想，构建了微板翅强化换热结构、烧结颗粒微多孔换热器和深槽微型换热器

图3 微型换热器体积换热系数与泵功之比

       提出将烧结微细颗粒和深槽结构用于微型换热器的方法：烧结颗粒多孔式微型换热器的单位体积换热性能优于微槽式微换热器，深槽结构比国际上普遍采用的浅槽结构微换热器的综合换热性能增大5倍

• 获2014年国家自然科学二等奖、2012年度教育部自然科学奖一等奖
• 研究成果已应用于大推力火箭发动机发汗冷却面板、高温环境喷油支板发汗冷却热防护、高温部件微板翅冷却、高温气冷堆热分析、CO2地质封存及增强型地热系统的研究与设计

研究背景：

跨临界空调热泵系统                           超临界水冷核反应堆

液体火箭发动机推力室冷却                                CO₂-太阳能光热发电系统

研究成果：

1、超临界压力CO2、R134a及低温流体的流动换热

• 强变物性与各种机制（浮升力、流动加速、离心力）耦合影响规律
• 传热强化与恶化；流动不稳定性与振荡

• 高压泄漏与相态变化
• 不混溶两相流动与传质

• 湍流模型改进

2、超临界压力碳氢燃料流动换热与热裂解

       高超声速飞行器超燃冲压发动机的主动冷却技术中，超临界压力碳氢燃料流经冷却通道，通过对流换热和热裂解的方式，利用燃料的物理热沉和化学热沉增强冷却能力，冷却高温壁面

• 超临界压力下吸热性碳氢燃料物性变化剧烈
• 壁面热流密度很高，通道尺寸处于毫米量级

• 燃料在通道内对流换热并发生热裂解反应生成小分子烃类，并吸收热量

• 流动不稳定性

• 超临界压力碳氢燃料强化换热

研究背景： 

• 利用微纳米表面强化喷雾冷却是应对高热流密度散热的最有效方式之一，目前已在电子器件、高能激光、功率逆变器、核反应堆、冶金与金属加工等领域的冷却展开了广泛的应用
• 射流冲击冷却有着很高的对流换热系数，当射流冲击冷却流体处于超临界压力条件下时，流体不会发生相变，且超临界压力流体在准临界点附近的大比热特点会强化传热，对于地热开采(EGS)、核聚变能源利用和飞行器热防护有着重要的应用价值

研究成果：

1、微纳米及其复合结构表面喷雾

• 设计构造用于强化喷雾冷却的纳米结构，显著增强表面喷雾冷却换热，揭示了纳米结构强化喷雾冷却换热机制

• 通过微米纳米结构的复合，将两种不同的喷雾冷却强化机制结合，实现换热性能的复合，进一步增强了表面的喷雾冷却换热

2、闭式循环喷雾冷却

• 基于制冷循环建立了以R134-a为工质的喷雾冷却系统，深入研究了系统特性，适用于电子器件冷却，可有效降低工质和换热表面的温度

• 使用微纳米表面进一步增强冷却性能，揭示了微纳米表面在闭式系统中对换热的强化机理

3、超临界二氧化碳冲击射流换热

• 通过MEMS加工技术实现了高压下小尺寸冷却表面的均匀热流密度加热和温度场测量

• 揭示了超临界圧力流体射流冲击冷却的传热规律

研究总结：

• 提高了喷雾冷却性能，阐释了微纳结构强化喷雾冷却机理，提供了强化传热领域微纳结构设计的新思路。
• 建立了基于制冷循环的闭式喷雾冷却系统，揭示了系统特性，推进了喷雾冷却的应用。
• 揭示了超临界压力CO2射流冲击冷却的局部与平局传热特性及准临界点附近剧烈变物性强化传热规律。