科研动态 | 胡战超副教授团队在超临界二氧化碳热声泵研究方面取得进展

        随着空间数据中心、在轨计算等新型空间信息基础设施的不断发展，空间电子设备的功率和集成度持续提高，高效散热已成为保障系统长期稳定运行的关键。泵驱流体回路具有传热能力强、输运距离远和热负荷适应范围广等优势，是空间热管理的重要技术途径。然而，机械泵通常包含旋转、往复运动和密封部件，长期运行可能面临磨损、泄漏及维护困难等问题。在难以开展人工检修的空间环境中，发展结构简单、可靠性高并具备长期免维护潜力的新型泵具有重要意义。

        热声发动机能够利用外部温差在工质中产生压力振荡，实现热能向声功的转换，其无运动部件，可靠性高。在热声发动机中引入单向阀，可将往复振荡流动整流为定向流动，从而实现热声泵送。超临界二氧化碳密度较高，有利于提升热声泵的紧凑性；其在拟临界温度附近表现出特殊的热物性，有助于降低热声泵的运行温差；在散热回路中，类相变传热模式与脉冲流动相结合，可进一步提升对流换热能力。

        围绕上述技术构想，胡战超副教授团队近年来持续开展超临界二氧化碳热声泵研究，先后完成原理验证、流量建模与强化、声电类比分析等工作，相关成果发表于《Energy》和《Energy Conversion and Management》。

        团队构建了超临界二氧化碳热声循环泵实验系统。该系统由驻波热声发动机、循环回路和单向阀组成。热声发动机利用热端与冷端之间的温差产生压力振荡，单向阀将往复流动整流为定向流动，驱动超临界二氧化碳在回路中循环流动。

        研究表明，将循环回路内的流动近似为周期性的等熵充放气过程，可以建立简洁的理论流量模型。然而，实验测得的实际流量普遍高于模型预测值。初步的数值模拟结果表明，流量增益主要来源于流体惯性效应与可压缩效应之间的耦合。

        在后续研究中，团队进一步研究了流量强化机制和循环回路优化方法。循环回路中的流动同时受到阻力、惯性和可压缩性的影响，这三类作用分别与电路中的电阻、电感和电容具有相似的数学形式。基于声电类比方法，团队结合集总参数思想将实际循环回路划分为多个管段，建立了多级等效电路模型，并利用电路仿真软件实现流量的快速预测。结果表明，该模型预测流量的平均相对误差为13.6%，能够较好反映循环回路的整体运行特性。

        模型分析表明，流量强化主要来源于惯性维持和声容过充两种效应。在此基础上，团队提出通过调节循环回路的声容等参数，使其谐振频率接近热声发动机的工作频率，从而进一步提升流量。

        实验发现，随着循环回路谐振频率接近热声发动机工作频率，流量会先随系统阻抗降低而增加；但二者过度接近时会产生强声学耦合，引起工作频率上移、压力振幅下降和高次谐波增强，甚至显著抑制热声振荡。这其中伴随着热声泵工作模式从基频模式向多谐波模式的转变，且最高流量出现在多谐波模式下。目前，团队正在进一步开展超临界二氧化碳脉冲流强化传热实验研究。

        热声泵能够实现超临界二氧化碳的稳定循环输运，并有望利用脉冲流动进一步强化传热。相关研究为热声泵的结构设计与参数优化提供了理论依据，也为对输运设备寿命和可靠性要求较高的流体回路应用提供了新的技术方案。

        两篇论文的第一作者均为William希尔官网2024级力学专业硕士研究生岳少武，胡战超副教授为论文唯一通讯作者。研究工作获得国家自然科学基金和广东省自然科学基金资助。

参考文献

1. Shaowu Yue, Zhan-Chao Hu. A novel supercritical CO₂ thermoacoustic circulation pump: Flow rate modeling and enhancement[J]. Energy, 2025: 138465.

2. Shaowu Yue, Zhihuan Guo, Zhan-Chao Hu. Electroacoustic modeling and experimental investigation of a supercritical CO₂ thermoacoustic pump[J]. Energy Conversion and Management, 2026: 121908.

文案 | 岳少武

排版 | 黄卓毅

初审 | 张怀钦

审核 | 张锦绣 赵晓江

审核发布 | 罗愈业