深井混合主动-被动热管理系统：长期稳定性与多目标优化设计

为解决深井高温环境下电子设备热稳定性差的难题，研究人员开发了一种集成真空隔热、相变材料(PCMs)和优化弯曲流道的混合主动-被动热管理系统。通过Kriging代理模型与NSGA-II算法的多目标优化框架，实现了传热系数(h)提升20.2%而压降(P)仅增加3.4%，使传感器在200°C环境中长期稳定运行(<333K)。该系统为地球物理勘探提供了可靠的深井监测解决方案。

　　

在探索地球深部奥秘的过程中，科学家们面临着一个棘手的难题：深井中的高温环境会严重威胁电子设备的稳定性。地热梯度通常达到1-9°C/100米，当井深达到4000米时，环境温度可飙升至425K（约152°C）。传统电子器件在如此极端条件下会迅速失效，导致地震监测、火山活动观测等关键数据中断。更糟糕的是，维修更换这些深井设备不仅耗时耗力，每次操作还可能耗费数百万美元。现有的被动冷却技术（如真空瓶隔热）仅能维持设备短期运行（<24小时），而主动冷却系统又存在结构复杂、能耗高等缺陷。这种技术瓶颈严重制约了人类对地球深部长期动态的认知。

为解决这一挑战，中国的研究团队创新性地提出了一种混合主动-被动热管理系统。该系统巧妙结合了真空隔热层、相变材料(PCMs)和优化的8通道弯曲流道结构，通过多目标优化框架实现了性能突破。相关成果发表在工程领域知名期刊《Results in Engineering》上，为深井监测装备的长期稳定运行提供了全新解决方案。

研究团队采用了三项关键技术方法：首先建立包含真空腔、PCMs模块和流道结构的3D模型，通过计算流体力学(CFD)模拟分析热流耦合特性；其次采用拉丁超立方抽样(LHS)生成150组流道几何参数组合，结合Kriging代理模型构建传热系数(h)与压降(P)的预测关系；最后运用非支配排序遗传算法(NSGA-II)进行多目标优化，并通过AHP-EWM混合权重法筛选最优方案。所有仿真均基于4000米深井工况，冷却液流量控制在0.0023-0.0174 m³/s范围内。

系统设计与约束分析
研究首先明确了直径≤120 mm、长度≤300 mm的紧凑型设计约束。通过对比Dewar瓶、PCMs等被动方案的温度延迟曲线，证实纯被动冷却无法避免温度累积，必须引入主动循环系统。热力学计算表明，真空层辐射热通量(φ_v)和端盖导热(φ_c)是主要热侵入途径，需通过冷却液带走这些热量。

流道结构优化
通过参数化研究发现，8通道弯曲结构的综合性能最佳。与直通道相比，弯曲设计产生的Dean涡流能破坏热边界层，使传热系数提升21%。多目标优化确定的几何参数中，流道厚度(w_thick)=13.54 mm、曲率半径(R)=23.15 mm时，h达到2.56 kW/m²K而ΔP仅6.76 kPa。

混合权重决策
创新性地结合层次分析法(AHP)和熵权法(EWM)，赋予传热性能71.47%的权重，压降28.53%。这种权衡使系统在h提升20.2%的同时，将ΔP增幅控制在3.4%，远优于单一AHP方案(ΔP增加67.2%)。

温度均匀性验证
优化后的流道壁面温度标准差从0.8485降至0.6642，最高温度从36.7°C降至36.2°C。温度分布云图显示弯曲结构有效消除了局部热点，证明二次流增强了径向热扩散。

这项研究的突破性在于：首次将真空隔热、PCMs缓冲与优化流道主动冷却三者协同，创建了适用于>200°C环境的混合热管理系统。相比传统方案，其持续运行时间从12小时延长至10天以上，且直径控制在工业标准120mm内。该设计不仅解决了深井电子设备的热失效难题，其提出的Kriging-NSGA-II-AHP/EWM多目标优化框架，也为其他极端环境热管理设计提供了方法论参考。未来通过集成PCMs相变优化和动态工况验证，该系统有望成为深地探测领域的标配技术。