微重力条件下不同截面形状管中毛细流动的实验研究

利用落塔设施创造的短时间微重力条件, 研究了不同尺寸的正方形和三角形截面的毛细管中的流体在微重力条件下的流动行为, 并与圆形毛细管中的毛细流动进行了对比, 总结出了毛细管尺寸和截面形状对界面张力主导的毛细流动行为的影响规律. 结果显示, 对于同样形状的毛细管, 其尺寸对于毛细流动的影响规律基本相同; 而对于不同的截面形状, 方形管和三角形管都与截面积小得多的圆形管有一定的类似性. 相关结果对于深入理解不同条件下的界面张力主导的毛细流动特性, 以及在空间微重力条件下通过改变毛细管的形状来实现流速和流量的独 立控制等方面都具有明显的现实意义. 关键词： 微重力 毛细流动 毛细管形状     

微重力下变内角毛细驱动流研究

本文研究了在满足Concus-Finn条件时,微重力环境下内角沿容器轴线变化时的毛细驱动流问题,建立了变内角的毛细流动控制方程,获得了变内角流动的近似解析解,并与FLOW-3D软件的数值模拟结果进行了对比验证. 计算结果表明,随着时间的增大,近似解析解与数值解的相对误差越来越小,在6 s以后,相对误差不超过5%. 论文研究了不同结构参数对内角毛细流动的影响规律,得出液体前缘位置和液面高度均随内角、接触角、内角斜率和内角幂指数的增大而减小的结论. 在不同时刻,液体的液面高度随着时间的增大而增大,但在初始时刻存在一个常高度,该高度不随时间的变化而变化. 在空间流体管理时,可以根据本文的工作进行容器设计和选择适合的溶液. 关键词： 变内角 毛细驱动流 近似解析解 前缘位置     

脉动热管的接触角滞后和毛细滞后阻力

脉动热管通常采用毛细管制造,液塞在运动过程中前进接触角和后退接触角随着管径、管长、充液量、传热量和工质的选择会有很大的不同,存在着毛细滞后效应的影响。本文对毛细管中单个液塞在运动过程中两个接触角和毛细滞后阻力进行了分析。结果表明,接触角滞后对于上述参数变化比较敏感,接触角滞后对于运行是不利的.可以通过毛细管的选取、工质的选择和充液率的改变等来消除毛细滞后的影响。得到的结果对于进一步完善脉动热管的物理模型有重要参考价值。     

容器内角处流体界面特性与Surface Evolver程序适用性的研究

微重力条件下内角处液体行为的研究对于认识表面张力主导的液体行为, 预测和控制空间微重力条件下的液体位置、瞬时状态, 以及对空间流体进行有效的管理等方面都非常重要. 通过分析接触角与流体界面在容器内角处的接触线方向之间的关系, 并与Concus-Finn理论进行比较, 提出了内角处接触线、接触角和几何形状之间相互关联的机理, 并探讨了Concus和Finn等 的相关理论结果的物理内涵. 在此基础上, 进一步将内角处的相关理论结果与Surface Evolver程序得出的数值结果进行了比较, 指出当容器中的内角小于180°时, Surface Evolver程序通过自动划分网格即可比较准确地预言内角处的接触线和液面行为, 但是当内角大于180°时, 自动划分网格得到的数值结果有较大的误差, 需要通过手动划分网格减少网格奇异才能减小误差. 因此, 对于具有复杂几何形状的容器, 需注意网格的奇异性, 并对内角处的液面进行定量的验证, 才能有效判断Surface Evolver程序结果的正确性. 本工作对于深入认识内角处的液面特性和机理, 理解Surface Evolver程序的适用条件, 以及分析微重力条件下容器内角处的液体行为等方面都具有明显意义.     

“神舟”四号中的流体物理实验

在多年地基研究的基础上 ,作为载人航天工程应用系统的有效载荷 ,在我国“神舟”四号飞船返回舱在轨飞行期间进行了大Marangoni数 (Ma)液滴热毛细迁移空间微重力实验 .实验中FC - 75液和 5cst硅油分别为滴相和连续相实验流体介质 ,研究了在稳定、长时间的微重力环境中 ,不同温度梯度条件下液滴热毛细迁移的现象及特征 .Marangoni数到达 5 5 0 0 ,很大地扩展了过去液滴热毛细迁移实验的Ma参数范围 .实验结果表明 ,大Ma数液滴热毛细迁移特征规律复杂 ,迁移速度与YGB模型线性预测有明显的差别 .文章介绍了液滴热毛细迁移研究进展 ,给出了此次空间实验的一些主要结果 .讨论了大Ma液滴热毛细迁移的特征 ,并对自行研制的空间实验设备、实验过程进行了简要介绍     

微重力下圆管毛细流动解析近似解研究

应用同伦分析法研究微重力环境下圆管毛细流动解析近似解问题, 给出了级数解的表达公式. 不同于其他解析近似方法, 该方法从根本上克服了摄动理论对小参数的过分依赖, 其有效性与所研究的非线性问题是否含有小参数无关, 适用范围广. 同伦分析法提供了选取基函数的自由, 可以选取较好的基函数, 更有效地逼近问题的解, 通过引入辅助参数和辅助函数来调节和控制级数解的收敛区域和收敛速度, 同伦分析法为圆管毛细流动问题的解析近似求解开辟了一个全新的途径. 通过具体算例, 将同伦分析法与四阶龙格库塔方法数值解做了比较, 结果表明, 该方法具有很高的计算精度. 关键词： 圆管 微重力 毛细流动 同伦分析法     

绕汽柱热毛细对流的数值模拟

本文建立了一个在常重力及微重力情况下绕汽柱热毛细对流的数学模型,并采用有限差分法来积分非稳态动量方程和能量方程,得到了不同参数下热毛细对流的数值解．通过数值模拟,得到了不同参数下热毛细对流的速度矢量场,了解了有关无量纲参数对热毛细对流的影响规律．得出结论：热毛细对流不仅在微重力条件下存在,即使在重力场中,在特定情况下也是不能忽略的。     

毛细管探针法测定液体的表面张力系数

在毛细管法测定液体表面张力系数的实验中,利用被测液体导电的性质,在螺旋测微计的测微螺杆上沿轴线方向加装一根金属探针,通过电学方法探测毛细管内液面及容器内液面的位置,实现液体在毛细管内上升高度的测量.利用探针法分别测量了蒸馏水在几个不同温度下的毛细上升高度,利用瑞利公式计算表面张力系数.实验结果表明,探针法测量毛细上升高度的重复性好,所测得蒸馏水的表面张力系数与其公认值的百分误差约小于0.12%.     

关于沿内角的自发毛细流动现象回顾

文章从静力和动力学的角度简要回顾了关于沿内角的自发毛细流动研究的最近进展.作为一个通用几何形状,内角在地面微观尺度下或处于失重状态的航天飞行器系统内大尺度下为液体提供有效的输运通道.当一定的几何条件得到满足并且当毛细力远远大于体力比如重力的时候,沿着内角会发生自发毛细力驱动流动现象.从静力学的角度来说,本文讨论的自发毛细驱动流动和当特定的边界条件发生突然变化,比如重力作用突然消失时带有内角的容器内部单值有限高度的平衡自由面的非存在性有关系. Concus-Finn方法可以用来确定这样的平衡自由面在一个横截面处处一致的柱形容器内的非存在性.用这个方法可以推导出在失重状态下一个内角为2α的通常柱形容器里,当接触角小于π/2-α时,平衡曲面不存在.通常来说,沿内角的自发毛细驱动流动属于层流.利用尺度分析和摄动法,成功分析了该流动的动力学特性,并且推导出对设计有用的封闭形式的解析解.一个典型的结果是在黏性流的范畴里毛细面端点的移动和t1/2成正比      

短时微重力条件下燃料电池性能实验研究

开展了不同重力情况下燃料电池性能的实验研究.利用微重力落塔,对常重力和微重力条件下燃料电池发电时其内部的两相流动开展了可视化现场观测.对重力因素对燃料电池内部传质过程的影响进行了分析和讨论.实验结果表明:当电流密度较大时,在微重力环境中燃料电池性能较常重力环境中的有较明显下降.由于微重力条件下浮升力的消失导致气体不能及时从流道中排出,进而对直接甲醇燃料电池内的传质过程产生负面影响.     

Electrowetting-Based Variable-Focus Lens for Miniature Systems

The meniscus between two immiscible liquids of different refractive indices can be used as a lens. A change in curvature of this meniscus by electrostatic control of the solid/liquid interfacial tension leads to a change in focal distance. It is demonstrated that two liquids in a tube form a self-centred variable-focus lens. The optical properties of this lens were investigated experimentally. We designed and constructed a miniature camera module based on this variable lens suitable for mobile applications. Furthermore, the liquid lens was applied in a Blu-ray Disc optical recording system to enable dual layer disc reading/writing.     

Effects of symmetric and asymmetric contact angles and division of menisci during separation

Meniscus and viscous forces are sources of adhesive force when two surfaces are separated with a micro-meniscus present at the interface. The adhesive force can be one of the main reliability issues when the contacting surfaces are ultra-smooth and the normal load is small, as is common for micro/nano devices. In this paper, both meniscus and viscous forces of menisci with symmetric and asymmetric contact angles are modelled. Equations for both meniscus and viscous forces in division of menisci are analytically formulated. The role of these two forces is evaluated during the separation process. The effects of the contact angles, division of menisci, as well as liquid thicknesses, surface tension and viscosity of the liquid, and separation distance and time during separation are presented. It is found that contact angles significantly affect the break point and meniscus force, and the magnitude of meniscus force can be largely reduced by choosing proper asymmetric contact angles. ‘Force scaling’ effects are found to be true for both meniscus and viscous forces when one larger meniscus is divided into large numbers of identical micro-menisci. Meniscus force increases with the number of divisions whereas viscous force decreases by an order of inverse the number of division (1/N). Optimal configurations for low adhesion are identified. This study presents a comprehensive analysis of meniscus and viscous forces during separation of menisci under different physical configurations. It provides a fundamental understanding of the physics of the process and knowledge for control of adhesion due to liquid menisci.     

液滴撞击加热壁面传热实验研究

本文采用高速摄像仪对水滴和乙醇液滴撞击加热壁面后的蒸发过程进行了实验观测, 分析了液滴撞击加热壁面后的蒸发特性参数. 实验中, 两种液体初始温度均为20 ℃, 不锈钢壁面初始温度范围为68-126℃. 水滴初始直径为2.07 mm, 撞击壁面时Weber 数为2-44; 乙醇液滴初始直径为1.64 mm, Weber数为3-88. 结果表明, 液滴受到重力、表面张力及流动性的影响, 在蒸发过程的大部分时间内, 水滴高度持续降低而接触直径几乎不变; 蒸发后期, 液滴发生回缩, 水滴的接触直径、高度和接触角出现振荡现象. 乙醇液滴的接触角随时间的增加呈现先减小随后保持不变的趋势, 而接触直径和高度则持续减小, 直到液滴完全蒸发. 液滴蒸发总时长与液体物性和壁面温度有关, 随壁面温度的升高而减小, 与液滴撞击壁面时的Weber 数无关. 同时, 随着壁面温度的升高, 液滴显热部分占总换热量的比重增大, 显热部分能量不可忽略, 本文实验条件下得到水滴的平均热流密度为0.014-0.110 W·mm^-2.     

水平微肋管内基于分层流流型的沸腾传热理论模型

本文提出了基于气液分层流的水平螺旋微肋管内沸腾传热理论预测模型。在模型建立过程中,采用了与开发微肋管冷凝分层流模型类似的理论处理方法。在气液分界面以上区域,相邻微肋之间的沟槽内的半月形液面形状取决于重力和表面张力之间的静力平衡关系,其中半月形液面中的薄液膜区域的传热特性由先前提出的薄液膜蒸发模型预测;分层流液体中的传热特性由Mori等建立的基于实验数据的关联式确定。将模型理论预测值与已由的四种不同结构的微肋管、三种有机工质下得到的实验数据进行了比较,结果表明,只要不发生管内部分烧涸现象,在Fr0<2.5时,理论预测值和实验数据符合得相当好。     

Pulsed Gradient Spin Echo Nuclear Magnetic Resonance Measurement and Simulation of Two-Fluid Taylor Vortex Flow in a Vertically Oriented Taylor–Couette Device

Magnetic resonance microscopy and Ansys Fluent^? computational fluid dynamics simulation have been used to classify Taylor vortex flows (TVF) for several single fluid and axially stratified two-fluid systems in a vertically oriented Taylor–Couette device. A Rheo-NMR (nuclear magnetic resonance) Couette system (Magritek Ltd, New Zealand) with a 1.05-mm gap was used to evaluate the transition from Couette flow to TVF in 1.65 cSt silicone oil, 1 cSt deionized water, and 0.65 cSt silicone oil. The rotation rate at which instability onset occurred agreed between experiment and simulation, as did the critical wavelength. Velocities were mapped for axially stratified two-fluid systems. The vortex containing the two-fluid interface was found to form with a significantly longer wavelength than that observed in the pure fluids. For experiments and simulations in the TVF regime, a region with no secondary flows was found at the interface, indicating interface stabilization by surface tension forces.     

驱油体系的驱油效率及其在模拟岩芯表面的润湿性研究

为了研究驱油体系在模拟岩芯表面的润湿性 ,为微重力应用研究提供依据 ,选择胜利纯梁采油厂C6 4 1井原油 ,应用正交实验设计 ,通过最低瞬时界面张力测定 ,筛选出阴离子表面活性剂SDC V、非离子表面活性剂FBB、HPAM和复碱的驱油体系配方 .开展室内模拟驱油实验 ,同时测定驱油体系溶液对模拟岩芯的接触角 ,并且关联驱油效率和接触角之间的关系 ,发现驱油效率越高 ,接触角值越小