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青托人才成长故事—张永海:控制“气泡”,带走热量
发布时间: 2022年4月26日

 

 

张永海,博士,西安交通大学化学工程与技术学院副教授,博导。主要从事功率器件强化换热技术开发与应用研究。

托举期间主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金面上项目、中欧载人航天合作空间应用合作项目等科研项目6项;第一或通讯作者发表国际期刊论文11篇,会议论文10篇;第一作者申请发明专利16项,授权10项;做大会邀请报告5次;担任2018年第十三届国际天地两相应用系统会议秘书长,获第十三届国际天地两相应用系统会议最佳报告奖;20余个国内外著名期刊审稿人。2019年当选中国空间科学学会微重力青年委员会副主任委员,2021年任西安交通大学化工学院传递过程强化研究所副所长,2021年获丝绸之路能源化工国际产学研用成果奖二等奖。

 

控制“气泡”,带走热量

 

张永海,博士,副教授,博导,主要从事功率器件强化换热技术开发与应用研究。2018年入选中国科协第四届青年人才托举工程,2019年当选中国空间科学学会微重力青年委员会副主任委员,2021年任西安交通大学化工学院传递过程强化研究所副所长。近五年主持国家级项目3项,省部级及其他项目10项。共发表高水平论文30余篇,申请发明专利23项,授权16项,做大会邀请报告8次。目前为中国空间科学协会会员、中国工程热物理学会会员、中国力学学会会员,20余个国内外著名期刊审稿人。

沸腾换热是一种非常高效的换热方式,无论在地面常重力环境还是空间微重力环境下都有十分重要和广泛的应用。然而,重力水平的改变使得地面上可行的多数强化沸腾换热技术难以适用于空间微重力条件。我国已经进入载人空间站时代,随着新一代电子器件的发展,提高微重力下两相热管理系统效率、安全性及可靠性,是国家重大战略需求。因此,揭示沸腾换热机理,开发适用于微重力下的强化沸腾换热技术,突破现有热管理技术瓶颈,对于我国近空国防预警、航空航天、深空探测等领域的发展意义非凡。

我国微重力沸腾研究资源有限且起步较晚,同时国内外关于微重力下强化沸腾换热研究的报道很少,虽然国外关于外加电场、声场等强化方法曾有提及,但国内未见相关报道。张永海及所在团队自2010年开始利用国家微重力实验室落塔平台从事微重力强化池沸腾换热研究;2015年获批国家自然科学基金青年项目开展微重力微结构强化流动沸腾换热研究;2019年获批国家自然科学基金面上项目开展微重力薄膜蒸发-沸腾相变强化换热研究,同年所在团队获批中欧载人航天合作空间应用合作项目,并在项目支持下与意大利比萨大学Paolo Di Marco团队合作完成电场+微结构强化沸腾换热抛物线飞行实验研究;2020年张永海所在团队获批中国空间站工程空间应用系统第二批科学实验项目,即将开展长时微重力强化沸腾换热研究。十年来张永海及所在团队一直从事微重力强化沸腾换热研究,揭示微重力强化沸腾换热机理,开发高效强化沸腾换热表面微结构技术,并取得了一系列成果。

针对微重力下由于浮力缺失导致换热性能严重恶化的难题,自主开发具有强毛细泵吸补液机制的柱状微结构表面,利用中国科学院力学研究所国家微重力实验室百米落塔进行了短时微重力条件下过冷核态池沸腾换热实验研究,揭示微重力下强化沸腾换热关键机制,突破沸腾严重恶化难题。值得一提的是自主开发柱状微结构临界热流密度在微重力条件下约为光滑表面的3倍,解决了微重力下由于浮力缺失导致沸腾严重恶化的难题。此外,考虑柱状微结构表面底部小汽泡群对主汽泡存在拖拽作用,从而对表面张力进行改进,并考虑过冷度对汽泡体积的影响,建立了柱状微结构表面汽泡脱离修正模型,并能够更好地预测中高热流密度下汽泡的脱离半径,克服传统力平衡模型缺陷。

针对载人航天热管理设备在极端微重力环境下面临的挑战,为了获得更高的换热系数和临界热流密度以适用于空间热管理系统,研究者们逐渐把微重力下两相换热的研究重点从池沸腾转移到流动沸腾上。然而,到目前为止关于微重力流动沸腾换热实验研究还很少,导致了基础数据的匮乏,阻碍了两相流动及换热在空间系统中的发展及应用。张永海及团队自主开发地面模拟微重力流动沸腾实验装置,解决了微重力资源匮乏难题。基于汽泡脱离和滑移调控机制,发展了一种微重力流动沸腾临界热流密度的模拟方法,微重力下流动沸腾CHF可通过地面对应条件下加热面方向为135°和315°测得的CHF组成的区间来近似。该方法通过落塔实验进行了验证,落塔实验结果与地面模拟实验结果吻合很好,解决了由于空间资源有限且昂贵而难以开展实验获取有效数据的难题,相关结果发表在International Journal of Multiphase Flow上。

张永海在中国科协第四届青年人才托举工程支持下,在科研方面取得了长足的进步,获批主持科研项目6项,包括国家重点研发计划子课题1项,国家自然科学基金面上项目1项,中欧载人航天合作空间应用合作项目1项,陕西省重点研发计划1项,陕西省自然科学基础研究计划1项,中国博士后科学基金面上项目1项。第一或通讯作者发表国际期刊论文11篇,会议论文10篇,第一作者申请发明专利16项,授权10项,做大会邀请报告5次,2018年获第十三届国际天地两相应用系统会议最佳报告奖,2019年承办中国空间科学学会微重力青年委员会第一届微重力科学青年论坛。2021年获丝绸之路能源化工国际产学研用成果奖二等奖。