随着城镇化进程加速和数字经济蓬勃发展，建筑和数据中心等领域的制冷需求持续增长，冷却系统能耗已占全球电力消耗的15%以上，温室气体排放占比超过10%。为实现建筑和数据中心等高制冷能耗领域的“双碳”目标，亟需推进冷却技术的绿色转型与创新发展。基于中空纤维膜的直接蒸发冷却技术可用于制取冷风或冷水，其能耗相较于传统蒸气压缩制冷系统显著降低，并能有效规避传统直接蒸发冷却中的空气—水交叉污染、液滴夹带、水耗高及系统体积大等问题。然而当前该技术的研究仍面临以下挑战：膜表面微观形貌与疏水特性对蒸发界面的影响机制尚未量化；冷水制备方向研究相对薄弱，且直接蒸发冷却技术受环境空气条件限制的瓶颈尚未突破；涉及多设计变量与性能指标的冷却系统优化方法尚不完善。 为建立膜材料筛选标准并提出高性能膜基蒸发冷却器的设计方法和优化策略，本文结合理论分析、实验测试、数值模拟与多目标优化方法开展了跨学科研究。针对三种热质调控形式——膜基风侧蒸发冷却、膜基水侧蒸发冷却与负压式膜基水侧蒸发冷却，本文从微观尺度探究膜表面形貌特征与疏水性对膜组件蒸发面积的影响机制，为蒸发冷却用膜材料筛选和高精度数值建模提供理论指导；通过数值模拟与实验方法研究膜基蒸发冷却过程的热质耦合传递特性，分析运行参数、膜组件规格及纤维分布模式对综合性能的影响规律，为明确冷却器优化方向提供理论依据；采用响应面法与遗传算法对三种冷却器分别开展多因素分析与多目标优化，为该技术的多场景工程应用提供设计支持。研究主要内容与创新性结论如下： （1）通过分形理论与盒计数法量化多孔疏水膜的表面微观形貌，基于Wenzel模型描述水—膜润湿行为，构建融合分形维数的表观接触角计算方法及膜组件蒸发面积理论模型，并据此探讨膜参数对蒸发面积的影响规律。结果表明，理论预测与实验测得的“膜组件蒸发面积与总膜面积之比”相对误差小于5%，且该面积比始终高于膜材料的孔隙率，证实液—气界面呈非平面几何（球面假设适用）。高疏水性、复杂表面形貌和高孔隙率的膜材料可显著增大蒸发面积（面积比可超过1），从而提升膜基蒸发冷却器的热质调控性能。 （2）针对膜基风侧蒸发冷却器，基于“正六边形密铺”、“努森扩散—分子扩散”跨膜传质机理及传热传质阻力分析，在COMSOL软件中构建三维数值模型并开展实验验证，探究了设计参数与纤维分布模式对冷却器性能的影响机制。结果显示，空气侧传热阻力在整体换热过程中占主导地位，而传质阻力主要由膜层阻力决定。纤维随机分布引起的沟流效应和流动死区导致温度与含湿量分布不均，降低热湿处理性能。随机分布下壳程努赛尔数（Nu）与舍伍德数（Sh）较规则分布降低11.6% ~ 55.6%，而摩擦因子（f）降低28.8% ~ 49.8%。拟合的6个无量纲关联式可推广用于描述液—气接触式中空纤维膜组件的壳程流动、传热与传质特性。 （3）针对膜基水侧蒸发冷却器，结合实验与数值模拟分析其热质耦合传递特性及关键设计参数与纤维分布模式对综合性能的影响。结果表明，在开式冷却塔的标准工况下，潜热散热量占总散热量的80%以上。提高入口水温、降低水流速、增大气水比，以及增加纤维长度、内径、填充率或减小膜层厚度均可提升冷却性能。在纤维随机分布模式下，冷却器出口水温较规则分布高约1.1 ℃，湿球效率下降15.9%以上，其主要原因在于空气侧传热与传质阻力分别增大158.6%与35.9%。 （4）针对负压式膜基水侧蒸发冷却器，基于“Happel自由表面模型”与“努森扩散”水蒸气跨膜输运机理建立二维轴对称数值模型，研究了运行参数与膜组件规格参数对出口水温、性能系数及单位体积制冷量的影响。结果显示，该冷却器制备的冷水温度由壳程负压对应的水饱和温度决定，不受环境湿球温度限制，拓展了蒸发冷却技术的应用范围。提高入口水温、降低壳程压力或选用总膜结构参数较大的膜材料可提升冷却器综合性能。 （5）针对三种冷却器形式，构建“数值模型—响应面法—遗传算法”一体化优化框架，开展参数敏感性分析与多目标协同优化。结果表明，所建立多元回归模型的R2均大于0.93，信噪比均高于35.67，准确关联了关键设计参数与性能评价指标。获得的帕累托最优解集为工程应用提供了多样化参数组合方案，基于理想点法确定的优化设计方案显著优于初始设计，全面提升了冷却器综合性能。 |
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