超流氦-4中瞬态传热引起的沸腾与空化

超流氦-4（He II）因其优越的传热能力已广泛用于各类科学与工程应用中的冷却剂。许多基于He II的冷却系统设计中所需的一个重要参数是峰值热流$q^*$，其指的是He II中自发发生沸腾的阈值热流。过去的实验与数值研究表明，当加热时间$t_h$减小时$q^*$增大，这导致一种直观预期：在足够小的$t_h$下可能实现非常高的$q^*$。关于$q^*$在小的$t_h$下实际如何变化的知识，对于如He II中的激光烧蚀等应用十分重要。本文通过对He II两流体运动方程求解，给出平面加热器前He II热力学状态演化的数值研究。对于施加的热流，我们确定了使加热器附近He II转变为气相所需的加热时间。由此可获得关联$q^*$与$t_h$的曲线，其很好地复现了部分相关实验数据。令人惊讶的是，我们发现存在一个临界峰值热流$q^*_c$，高于此值时无论$t_h$如何沸腾几乎瞬时发生。我们揭示该 regime 下的沸腾本质上是由He II中第一声与第二声波的联合效应引起的空化。基于此物理图像，建立了$q^*_c$的解析模型，其在不同He II浴温和静水头压力下复现了模拟的$q^*_c$值。该工作代表了我们对He II中瞬态传热理解的重大进展。