化学/相变复合吸热过程的传热机理研究

冷却物质的热沉能力是喷射冷却的核心。在超高热流密度器件的快速冷却问题上，本项目提出活性碳-二氧化碳水合物喷射冷却、利用化学热沉快速移除热量的传热原理及技术。即活性碳-二氧化碳水合物混合工质在高温表面产生吸热分解、相变汽化，相变后产物之间发生强烈吸热化学反应，利用化学热沉大幅度提高传热能力。建立混合工质喷射冷却系统，对物理热沉和化学热沉进行传热测量，以系统热力学角度研究物理、化学热沉,获得活性碳-二氧化碳水合物喷射冷却传热机理的直接证据。在理论和数值模拟方面，建立喷射表面结构对撞击沸腾吸热过程和微粒气化吸热反应的传热分析模型，提出求解策略，获得表面结构对传热影响的规律性机理以及复杂气液固多相化学反应对热质传递过程的深层机理等。

随着社会日新月异的不断进步，高温或者超高热流密度的存在阻碍着诸多现代高新技术的发展和突破，例如在先进燃气轮机发动机、大功率半导体激光器、高超声速飞行器机头等应用领域，国内外对解决高热流密度或者超高温这类问题的研究日益重视。针对这类问题本课题组进行了基础性的尝试和研究，首先，提出化学/相变复合吸热的新想法，按所应用温度范围不同，特选取活性碳-二氧化碳水合物作为冷却工质，利用间歇法和连续合成法来制备二氧化碳水合物，并且理论研究了活性碳-二氧化碳反应的吸热速率特性和实验测得其摩尔焓值，验证了该反应应用于移除超高热流密度的可行性和高效性。其次，利用Gambit、Fluent等仿真软件对高温热基板的碳-二氧化碳喷射冷却模型进行二维和三维模拟，获得温度场分布、质量分数分布等模拟结果，最终完成活性碳与二氧化碳气体喷射冷却实验并将其结果与仿真结果进行对比分析。