研究成果

在 mK 条件下，由于氦工质的特殊物性，导致其在传热流动中呈现出与常温温区不同的现象和规律。进一步理解其作用机理将为低温传热及传热部件设计提供更多可能。针对上述问题，热科学团队开展了以下相关研究工作：

（1） 3He - 4He 混合工质在 mK 温区下的分相特性及传热机制研究。基于修正的二流体模型和渗流理论，引入了传热传质能量模型和浓度扩散模型，通过对混合工质渗流速率的控制和溶解度的限制，建立了 3He - 4He 混合工质的渗流传热耦合模型，明晰了渗透压与制冷温度、制冷功率与热负荷之间的影响规律，开展了对混合室结构参数敏感性分析，揭示了极低温下 3He - 4He 混合工质中相界面的渗透和熵变制冷机制。


（2）低温界面热阻研究。在极低温条件下，流体与固体间存在着显著的界面热阻。基于声学失配模型，考虑颗粒振动模式与骨架低频振动模式，分别建立了三类液氦工质与固体壁面的界面热阻计算模型，并进一步分析了壁面材料、结构参数、流动参数对界面热阻的影响规律，为极低温下强化传热研究提供了理论基础。

（3）超流氦量子涡旋研究。采用二流体理论耦合Vinen方程模型研究了非线性热流下超流氦热逆流过程的传热和涡线动态响应特性，探明了涡线密度的低通滤波特征和频率增加引起的准稳态线性温度分布到声学共振的空间波动模式转变过程，并发现平均互摩擦耗散与频率无关，超流氦热逆流过程具有强热力学稳定性。

（4）氦工质节流特性分析。通过建立考虑自由射流局部压降效应的均相流模型，构建了用于描述微毛细管内液氦流动与传热耦合过程的理论模型。系统研究了节流过程中的能量耗散与熵产机制，发现由速度与温度梯度波动所引起的熵产效应是系统总熵产的主要来源。在此基础上，提出了经熵产修正的Maytal模型，显著提升了节流过程的预测能力，使质量流量预测精度提高了一个数量级。研究进一步确立了涵盖局部射流压降影响的毛细管及微孔结构选型新准则，揭示了节流过程中的能量转换规律。

（5）换热器轴向漏热特性及抑制措施研究。针对微通道换热器存在的轴向漏热问题，本研究构建了其内部温度与传热场的分布模型，明晰了对流传热热阻与轴向导热热阻之间的竞争机制。依据该机理分析，提出了针对性的轴向漏热抑制策略，并开发了一种新型的低轴向漏热微通道换热器结构设计方案。该优化方案可显著抑制轴向漏热近80%，从而大幅提升了换热器的整体热效率。研究成果为微通道换热器在低温系统中的热管理难题提供了关键的理论依据与技术解决方案。

（6）粉末烧结换热器流动及传热特性研究。粉末烧结换热器作为实现毫开尔文（mK）温区换热的核心部件，其性能对极低温制冷机的整体效能具有决定性影响。通过实验研究与数值模拟相结合的方法，系统分析了烧结颗粒粒径、自由流道形态及工质流量等多参数耦合作用对换热器流动与传热特性的影响规律，揭示了不同粒径条件下内部各传热通道的热贡献机制，进而提出了结构优化设计方法。研究成果为高性能稀释制冷机的开发与优化提供了重要的理论支撑与设计依据。