液氮温区脉动热管运行机理及加热方式与接触角的影响研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51776180
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0601.工程热力学
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

High temperature superconducting magnets have been developed rapidly in recent years. Liquid hydrogen is a promising fuel for space shuttle and vehicles, and the long-term efficient storage is quite significant which affects the extension of space exploration and hydrogen vehicles application. Both of these systems should operate in a cryogenic environment, and thus effective thermal management technology becomes one of the most serious challenges. Cryocoolers are the important equipment for providing the cryogenic environment. However, it only produces the cooling at the tip of the cold-finger. Pulsating heat pipe (PHP) is a new heat transfer device, which has flexible structure and can match cryocooler. It provides a possibility for cooling transfer efficiently in long distance and distributed cooling system. Its application in room temperature has attracted considerable attention. However, the physical properties of cryogenic fluids and the bubble formation conditions are greatly different. As a result, the driving and dragging force of heat transfer and fluid flow inside the same tube are also different. The regularity at room temperature is not necessarily applicable to low temperatures. So, it is essential to investigate cryogenic PHP but the study on it has just started at present. This project aims at the operation mechanism of PHP with liquid nitrogen and the effects of heating mode and contact angle. Based on fluid mechanics, thermodynamics and cryogenic heat transfer theory, the operation mechanism of PHP with liquid nitrogen will be performed. The mechanisms under pulsating condition include the bubble formation and aggregation, the flow pattern transition of vapor plug and liquid slug, and thermal performance. Two PHPs with different tube material but the same geometric dimensions will be built, with one of glass tube and the other of stainless steel. High speed camera will be utilized to visualize the flow characteristics inside the capillary tube of the glass PHP. Flow patterns, temperatures of evaporator section and condenser section, as well as pressure will be measured synchronously. Three different heating modes, step by step heating, one step heating and pulse heating, will be applied on glass PHP to explore the effect of heating modes on internal flow of working fluid. After that, the correlation between flow patterns and thermal characteristics like thermal conductivity, temperature difference, and heat load will be established. Experiment to study the thermal performance of stainless steel PHP with liquid nitrogen will be carried out. And the differences between thermal performances of glass PHP and stainless steel PHP will be studied. Then the effect of contact angle with different materials will be explained. The empirical criteria for start-up, operation and heat transfer limit will be built. The physical model for analyzing the performance of a PHP will be established, and can predict the heat transfer and flow characteristics of the PHP with liquid nitrogen by introducing the empirical criteria. Finally, the solid foundation can be provided for the application of PHP in the field of thermal control such as superconductivity and space exploration.
从被冷却对象的角度,如何把制冷机冷头来之不易的有限冷量高效的远距离地传递到被冷却对象中?低温脉动热管给出了其中的一种解决路径。它是一种新型传热元件,结构灵活、能在远距离和分布式冷却系统中实现冷量的高效传输,其在室温区的研究受到了广泛关注。但由于低温工质物性与气泡生成条件的显著差异,导致其在管内流动和传热时的动力和阻力特性不同,但该领域的研究刚刚起步。本项目拟采用可视化研究手段,以掌握液氮温区脉动热管运行机理及加热方式与接触角的影响为目标,从流体力学、热力学和低温传热学的角度出发,着重研究脉动条件下液氮工质气泡的产生与合并、气液塞流型转换机理,探索不同加热方式对脉动流动的影响;分析液氮工质在不同材质内的运行特质,总结启动、流型转换及极限的经验准则;为最终构建低温温区脉动热管的理论模型奠定基础,研究成果将在超导和空间探测等热控制领域具有广阔的应用前景。

结项摘要

空间探测器、低温推进剂、量子计算以及超导技术等尖端科技的发展对低温传热技术提出了新要求:传热效率高、自重轻以及易维护。脉动热管兼具对流传热与相变传热机制,不仅具有高传热性能,还具备自重轻、无功耗、结构简单、布置灵活以及可在微重力下运行等显著优势。本项目围绕低温脉动热管中尚未解决的科学问题以及其实际应用链条,开展了一系列工作:.理论研究方面,从热力学角度分析低温工质物性以及低温气体非理想性,系统说明低温脉动热管有别于常温脉动热管的特殊性,揭示其充液率的温度相关性,并利用实际气体状态方程(RKS状态方程)描述低温气体的压力方程、能量方程及饱和物性,建立适用于低温脉动热管的一维塞状流模型,并得到液氢温区实验验证,利用模型分析了液氢脉动热管的传热和流动特性,说明其传热机理。.实验研究方面,采用控制变量法开展实验,系统揭示关键参数对液氢脉动热管启动特性和稳态传热性能的影响规律,为不同场景下脉动热管的应用提供重要参考,并拟合针对液氢脉动热管的传热性能经验关联式,为快速估算脉动热管的传热性能提供了一个便利工具。针对可视化研究,利用刻蚀、键合等微纳加工技术,制备了可用于液氮温区的硅基平板脉动热管,并搭建液氮脉动热管可视化实验平台,实现了液氮脉动热管的全流道可视化,为后续的研究打下基础。.实际应用方面,针对脉动热管的冷源性能优化,建立了包括压力函数和体积函数的斯特林制冷机通用模型并分析其运行特性,为优化其热效率提供了理论基础。为拓展脉动热管冷源的选择,对不同压缩机驱动的预冷型液氦JT制冷机进行了测试,获得了稳定的低温制冷性能,证实了其作为脉动热管冷源的可行性。针对低温热控系统的真空和绝热性能优化,测试了多层绝热材料的放气速率,为其调控给出参考。.项目从理论、实验和应用三方面出发,对低温脉动热管进行了全面探究,为其未来的系统化应用奠定了良好的基础。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(1)
专利数量(2)
A general model of Stirling refrigerators and its verification
斯特林制冷机的通用模型及其验证
  • DOI:
    10.1016/j.enconman.2019.03.029
  • 发表时间:
    2019-05
  • 期刊:
    Energy Conversion and Management
  • 影响因子:
    10.4
  • 作者:
    Guo Yongxiang;Chao Yijun;Wang Bo;Wang Yabin;Gan Zhihua
  • 通讯作者:
    Gan Zhihua
不同冷凝段温度下液氢脉动热管实验研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    工程热物理学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李思卓;孙潇;刘东立;Pfotenhauer John;甘智华;王博;赵钦宇;仇旻
  • 通讯作者:
    仇旻
Experimental study on hydrogen pulsating heat pipes under different number of turns
不同匝数下氢气脉动热管的实验研究
  • DOI:
    10.1016/j.cryogenics.2020.103174
  • 发表时间:
    2020-08
  • 期刊:
    Cryogenics
  • 影响因子:
    2.1
  • 作者:
    Sun Xiao;Li Sizhuo;Jiao Bo;Gan Zhihua;Pfotenhauer John;Wang Bo;Zhao Qinyu;Liu Dongli
  • 通讯作者:
    Liu Dongli
Experimental study on a floating scroll-type compressor driving a precooled JT cryocooler
浮动涡旋压缩机驱动预冷JT制冷机的实验研究
  • DOI:
    10.1016/j.applthermaleng.2020.115627
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Applied Thermal Engineering
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
    Yunwei Shen;Dongli Liu;Lei Liu;Sizhuo Li;Shuhang Chen;Zhihua Gan;Min Qiu
  • 通讯作者:
    Min Qiu
Numerical study of the thermal performance of a hydrogen pulsating heat pipe
氢脉动热管热性能的数值研究
  • DOI:
    10.1016/j.ijthermalsci.2021.107302
  • 发表时间:
    2022-02
  • 期刊:
    International Journal of Thermal Sciences
  • 影响因子:
    4.5
  • 作者:
    Sun Xiao;Li Sizhuo;Wang Bo;Jiao Bo;Pfotenhauer John;Miller Franklin;Gan Zhihua
  • 通讯作者:
    Gan Zhihua

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其他文献

压电材料驱动的微型回热式制冷机研究进展
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    低温与超导
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    潘权稳;王浩任;王博;李睿泽;赵钦宇;闫春杰;甘智华
  • 通讯作者:
    甘智华
三种惯性管调相方式的比较
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    低温与超导
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    邱利民;俞益波;范炳燕;甘智华
  • 通讯作者:
    甘智华
用于强化脉管制冷的He-H2混合工质和Er3NiHX填料
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    科学通报.
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陈国邦;汤珂;黄永华;甘智华;包锐
  • 通讯作者:
    包锐
基于声学负载的直线压缩机参数反求
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    电气工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王龙一;甘智华;金泽远;郭永祥
  • 通讯作者:
    郭永祥
LNG罐式集装箱主要组成材料放气速率测试
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    真空与低温
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    高云飞;何远新;南晋峰;王 博;郑 晨;熊珍艳;徐 旭;甘智华
  • 通讯作者:
    甘智华

其他文献

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空间用液氦温区高效复合型回热式低温制冷机理研究
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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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