在日常生活和工程应用中，水填充的毛细管广泛存在于生物学（如血管、间质孔隙和植物导管）和工程学（如MEMS微通道谐振器、热管吸液芯和水饱和土壤）中。当温度降至足够低时，毛细管中的水会发生相变并产生冻胀，这可能导致管壁变形、损伤甚至断裂。然而，对于冻结水填充毛细管的热力学分析仍缺乏深入理解，特别是在水温因热瞬态效应而迅速变化的情况下。
在本研究中，我们开发了一种新的热-力学模型，用于分析突然暴露于冷气流中的水填充毛细管的冻结过程。该模型将时间域分为两个阶段，以热渗透时间tp为界。研究首先解决了热渗透对温度分布的影响，并区分了在热渗透前后的冻结情况。随后，分析了作用于管壁的瞬态机械应力，考虑了表面张力和冻胀效应。研究结果不仅有助于预防冻胀导致的破坏，还为定制MEMS中微流控器件的抗冻性能提供理论指导。
该研究的创新点在于首次详细分析了冻结水填充毛细管的热-力学行为，特别是在热渗透的影响下。这一研究不仅填补了该领域的知识空白，还为相关工程应用提供了重要的理论基础和设计指导。通过精确控制和预测毛细管中的冻结过程，可以有效提高设备的稳定性和可靠性，对于生物医学和微电子工程等领域具有重要的实际应用价值。
近日，该成果以“Themo-mechanical analysis of a freezing water-filled capillary tube”为题发表在著名国际传热学期刊International Journal of Heat and Mass Transfer。文章的第一作者为卢天健教授博士生陶泽，卢天健教授及刘少宝副教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金等的支持。
