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《超流氦傳熱》

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  《超流氦傳熱》系統介紹了超流氦的基本特性、物理基礎、實驗手段,剖析了超流氦在冷卻應用中涉及的流動與傳熱相關的基本熱物理問題,進而對其進行了深入的分析和討論,並對相關科學研究的前沿問題進行了介紹。針對超流氦的流動與傳熱特性及其在低溫系統中的冷卻應用,結合近年來的研究成果與進展。

1 《超流氦傳熱》 -內容簡介

《超流氦傳熱》內容全面新穎,適合於從事低溫技術研究、設計、教學和生產的科技人員以及從事低溫物理研究和應用的科研人員,特別適合於從事超流氦物理與冷卻應用技術、低溫流體力學與傳熱學、高能物理實驗技術和凝聚態物理研究的科研人員閱讀,也可以作為大學低溫和製冷專業及凝聚態物理專業高年級學生的選修課教材和研究生的教學參考書。

2 《超流氦傳熱》 -目錄

前言
第1章 氦的性質及超流氦的獲得
1.1 氦元素簡介
1.2 氣氦和液氦的性質
1.2.1 非臨界區域氦的熱力學性質
1.2.2 臨界區域氦的熱力學性質
1.2.3 非臨界區域氦的輸運性質
1.2.4 臨界區域氦的輸運性質
1.3 液氦和超流氦的獲得
1.3.1 液氦的獲得
1.3.2 大型氦液化(製冷)系統及液氦儲存容器
1.3.3 超流氦的獲得
1.4 超流氦的熱物性
參考文獻

第2章 超流氦的基本理論
2.1 超流氦的特異性質和二流體模型
2.2 超常導熱、熱機械和機械熱效應
2.3 聲波的傳播
2.4 互摩擦作用
2.5 卡皮查熱阻
2.6 超流氦沸騰現象
參考文獻

第3章 超流氦的量子特性
3.1 玻色-愛因斯坦凝聚和「准粒子」的理論概念
3.2 聲子和旋子
3.3 超流氦中的渦旋線
3.4 臨界速度
3.5 超流氦中的量子渦旋
參考文獻

第4章 超流氦流動與傳熱相關的實驗系統及實驗方法
4.1 超流氦恆溫器和相關輔助系統
4.1.1 玻璃恆溫器和壓力控制系統
4.1.2 金屬恆溫器
4.2 超流氦流動與傳熱實驗系統
4.2.1 平板加熱器及導線型加熱器
4.2.2 超流氦流動相關實驗系統
4.3 超流氦實驗研究中的各種感測器
4.3.1 壓力感測器
4.3.2 溫度感測器
4.4 超流氦流動與傳熱的可視化實驗方法
4.4.1 紋影與陰影可視化方法
4.4.2 特殊的低溫可視化實驗系統
4.4.3 高速數字攝像機
4.4.4 超流氦沸騰傳熱實驗過程
參考文獻

第5章 超流氦中的第二聲波
5.1 常規的熱波方程
5.1.1 DP1模型的理論背景
5.1.2 DP1模型的提出
5.1.3 DP1導熱問題的求解
5.1.4 DP1導熱的一些特殊物理特性
5.2 超流氦中的一維平面第二聲波研究
5.2.1 線性第二聲波(無量子渦旋作用)
5.2.2 量子渦旋作用下的第二聲波
5.3 超流氦浴中的非平面非線性第二聲波研究
5.3.1 非平面非線性第二聲波的相關實驗研究
5.3.2 第二聲波的衰減和熱激波
5.3.3 超流氦中二維第二聲波的傳播特性
5.3.4 超流氦中三維第二聲波的理論模型及傳播特性
5.4 超流氦中第二聲波的可視化實驗
5.4.1 PIV在超流氦第二聲波實驗中的應用
5.4.2 第二聲波的激光全息干涉可視化
5.4.3 紋影法對第二聲波的測量研究
參考文獻

第6章 超流氦的傳熱特性
6.1 超流氦傳熱中的前驅傳熱狀態及膜態沸騰的發生
6.2 超流氦的膜態沸騰傳熱研究
6.2.1 飽和態超流氦的最大熱流密度
6.2.2 過冷態超流氦的最大熱流密度
6.3 不同形狀加熱元件下和不同流道中的傳熱情況
6.4 超流氦瞬態傳熱研究
參考文獻

第7章 與超流氮膜態沸騰傳熱相關的熱物理現象
7.1 超流氦膜態沸騰狀態的分類
7.2 膜態沸騰過程中的壓力振蕩研究
7.2.1 小過冷度下的沸騰狀態
7.2.2 大過冷度下的沸騰狀態
7.2.3 飽和態沸騰狀態下的壓力振蕩
7.3 超流氦沸騰過程中的溫度振蕩
7.3.1 在小熱流密度和短加熱時間情況下,雜訊沸騰狀態中的溫度振蕩
7.3.2 劇烈雜訊沸騰巾的溫度振蕩測量
7.3.3 無雜訊沸騰狀態
7.3.4 雜訊沸騰過程中溫度振蕩和壓力振蕩的耦合
7.4 超流氦沸騰過程中的非線性特性
7.4.1 雜訊沸騰中的壓力振蕩過程的傅里葉分析
7.4.2 雜訊沸騰中的壓力振蕩過程的非線性分析
7.4.3 超流氦沸騰過程中的臨界自組織現象和壓力振蕩中的廣波譜
7.4.4 超流氦沸騰過程中的不同沸騰狀態的非線性分析
7.4.5 超流氦中不同沸騰狀態的小波分析
參考文獻

第8章 超流氦中不同沸騰狀態的分界
8.1 不同氦浴溫度下沸騰狀態的分界
8.2 分界圖的理論分析
8.2.1 雜訊沸騰狀態和過渡沸騰狀態的分界
8.2.2.l 無雜訊沸騰狀態和過渡沸騰狀態的分界
8.2.3 不同沸騰狀態的三維分界圖
8.3 過冷態超流氦沸騰中的穩定性分析
參考文獻

第9章 超流氦流體力學
9.1 超流氦的流動研究
9.1.1 超流氦的理想流體運動方程
9.1.2 超流氦的黏性流體運動方程
9.2 超流氦的空泡流動
9.3 超流氦的兩相流動與傳熱
參考文獻

第10章 超流氦的冷卻應用及前沿科學問題研究
10.1 超流氦冷卻超導磁體
10.2 超流氦的相分離研究
10.2.1 空間相分離器的分類
10.2.2 多孔塞的工作原理
10.3 超流氦的空間應用
10.3.1 超流氦空間儲存方式
10.3.2 超流氦的空間相分離系統
10.3.3 超流氦空間恆溫器的結構設計
10.3.4 超流氦空間恆溫器的熱設計
10.3.5 超流氦空間恆溫器內的液體晃動
10.4 有關超流氦研究的前沿物理問題
10.4.1 與超流氦相變相關的前沿研究
10.4.2 固氦中的超流特性研究

3 《超流氦傳熱》 -前言

  低溫技術是一門既古老又年輕的學科。從發展歷史來看,在19世紀末20世紀初,unde、Dewar和Onnes等對低溫技術的發展做出了巨大的貢獻,使得低溫技術學科得以迅速發展。低溫技術作為一種重要的支撐技術,在現代許多學科和技術的發展中起到了重要的作用。近幾十年來,低溫及其相關技術在許多領域中扮演著越來越重要的角色,如深空探測、熱核聚變技術、凝聚態物理等,它們都成為這些前沿科學研究中不可缺少的部分。在很多應用中,環境要求所需要的溫度非常低且穩定,同時對冷量的大小也有較高的要求,此時使用液氦甚至超流氦來提供低溫環境則成為最佳的選擇。
  超流氦作為一種冷卻性能優異的冷卻劑,具有一系列的特異性質,如黏性係數極小、熱導率極大等特點。這些特異性質使得超流氦在很多場合中得到了應用。具體舉例來說,為了獲得強磁場,往往使用超流氦來對超導磁體進行冷卻,以提高超導磁體的熱穩定性,從而保證系統正常運行,如在歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子碰撞機(1argehadrmlcollider,LHC)中,就使用了大量的超流氦來對超導磁體進行冷卻;在空間奧秘的探測中,為了提高空間遠紅外探測器的靈敏度,往往使用超流氦來維持探測器所需要的低溫,如在美國國家航空航天局(NASA)於2003年發射升空的空間紅外望遠鏡(spacein fraredtelescopefacllity,SIRTF)中,則使用了約400L的超流氦;在凝聚態物理的研究中,超流氦的特性更是低溫物理學家所感興趣的焦點之一,如量子渦旋、固體超流特性等研究。

4 《超流氦傳熱》 -精彩書摘

  第1章 氦的性質及超流氦的獲得
  1.1 氦元素簡介
  1868年8月18日,法國人Janssen在日全食的太陽光譜圖上發現在鈉元素的譜線附近有一條波長為5 876A的淺黃色線條;1868年10月20日,英國人Lock—yer和FRANKLAND在研究中發現了同樣的譜線,經過進一步研究,他們意識到這是一條不屬於任何已知元素的新譜線,認為這種元素在地球上還沒有被發現,將其命名為Helium,其原義來源於希臘語halios,意為「太陽」。其後1895年Ramsay在鈾礦和天然氣的譜線中發現了同樣的線條,經證實該線條是氦的譜線后,他在《化學新聞》上首先發表了在地球上發現氦的簡報,並於同年在英國化學年會上正式宣布了這一發現。至此,氦元素在地球上被發現了。這個概念上的氦是一個統稱,泛指氦4,因為當時還不清楚它是否存在同位素。直到1933年Mark Oliphant等發現氦3,人們才對氦的概念加以區分。
  氦是一種稀有資源,在地球上極為稀少,並且分佈也很不均勻,如圖1.1所示是全球氦資源的分布圖。總體來說,在大量使用氦氣的時候,一般均應進行氦氣回收。最初氦氣的來源大多均是從空氣中進行液化分離,1917年人們首次從天然氣中提取出氦氣。氦存在於整個宇宙中,按質量計佔23%,它是除了氫以外含量最為豐富的元素,但在自然界中它主要存在於天然氣或放射性礦石中。在地球上的鈾等放射性礦物中所含有的氦是經過a衰變的產物。氦只有在某些天然氣中的含量達到一定丰度,在經濟上才具有開採的價值。
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