眼见为实：华盛顿州立大学实现管道内液态氢沸腾可视化

科学家们首次能够亲眼观察到极低温液态氢在管道内迅速沸腾并转化为气态的全过程，而他们所看到的景象令人为之震撼。

华盛顿州立大学（WSU） 的研究人员开发了这一可视化工具。液态氢在管道中呈现出珠状、雾状并闪烁的形态，其表现方式此前完全未被预料到。但这一突破并非只是令人惊奇，它是WSU与航空巨头 空客（Airbus）合作、加速氢燃料商用飞机研发的重要一步。相关研究由WSU的能源研究氢物性实验室（Hydrogen Properties for Energy Research，简称HYPER实验室）完成，该实验室是美国大学中唯一的低温氢研究中心。

近日到访WSU普尔曼校区和三城校区实验室的空客热流体整体氢系统负责人Thierry Sibilli表示：“作为人类，我们在亲眼看到事物时才能最好地理解它们。这是世界上唯一一个能够做到这一点的地方——不是两三个地方之一，而是唯一的地方——这正是我们与华盛顿州立大学合作的原因。”

HYPER实验室在氢可视化方面的突破，是其与空客近四年合作关系中的最新成果。尽管此前已经有人对储罐中的液态氢进行过可视化，但液态氢在管道中沸腾的过程此前从未被直接观察到。

WSU与空客美洲公司签署了“总体框架协议”，允许空客在协议范围内针对具体研究主题资助专项科研项目。

这一合作促成了多个研究项目和学术期刊论文。作为其脱碳路线图的一部分，空客正推进氢动力飞机计划，目标是实现一架完全电动、燃料电池驱动的氢动力飞机，而这一目标的实现依赖于对氢相变物理机制的深入理解。

HYPER实验室创始人、机械与材料工程教授Jacob Leachman表示：“空客是第一家正视低温液态氢挑战，而不是被吓退并选择放弃的航空公司。这是我在WSU任教期间经历过的最好的产业合作。他们非常懂得如何与学生合作，与这个全球团队共事的经历非常棒。”

热流体整体氢系统负责人Sibilli指出：“实现氢燃料商用航空仍面临诸多障碍；即便飞机成功研发，其大规模应用仍需要从机场到燃料储存与运输在内的完整基础设施体系。但气候变化的紧迫性以及减少碳排放的需求，使得这一努力势在必行。当有人说氢动力飞机不可行时，他们是错的。这不仅是可行的，而且是不可避免的。”

其中一项关键挑战是飞机上的燃料管理。氢必须以液态形式储存，然后在使用前转化为气态以供燃料电池使用。能够精确理解和测量氢在管道中处于两种形态时的相变过程及其行为特性，是使飞机燃料系统具备可行性的关键。

然而，仅凭肉眼观察低温液态氢无法获得准确信息——其温度极低，任何可见光都会改变其温度，而氢气本身又是不可见的。因此，Leachman、Konstantin Matveev教授及HYPER实验室的学生们设计了一套系统，利用真空腔体和激光来展示氢在相变过程中的行为，并测量温度、流速和压降等参数。

该可视化流动单元被安装在一个可套设于液态氢管道外的真空腔体中，腔体内配备多种传感器，并向管道发射连续固态激光，通过一个小型观察窗即可看到可视化图像。

Leachman表示：“要保持可视化腔体的密封性，防止宇宙中最小的分子泄漏并破坏真空——这是此前几乎没有人在连续流体管道系统中公开分享过的关键技术。这正是我们能够为用户提供所需数据、并让他们有信心判断这些管道中热传递行为的基础。”

Leachman和Matveev指出，与空客合作的一个重要意义在于为WSU学生提供机会。研究生和本科生可以参与空客资助的科研项目，获得在空客及其他行业公司的实习机会，并最终进入该领域就业。

此次访问中，常驻德国的Sibilli还与另外两位空客同事同行：一位是常驻阿拉巴马州的空客美洲公司高校合作研发与技术高级经理Aaron Rubel，另一位是常驻印度的系统工程师Surya Suryaprakash Thiagarajan。

除HYPER实验室外，他们还参观了材料与过程创新计算智能实验室、多尺度机械与材料实验室，会见了WSU科研办公室人员，参观了WSU三城校区的生物产品、科学与工程实验室，并体验了当地的自然与文化景观。

Sibilli表示：“我迫不及待想再次回来。”

（素材来自：华盛顿州立大学 全球氢能网、新能源网综合）