《微重力流体力学》简介

微重力流体科学是流体力学与空间材料、空间生物技术、燃烧交叉的新兴学科．研究微重力环境中流体的流动、迁移,热、质输运和相变等基本规律,还有物理化学问题和低温问题,这是微重力科学的基础和核心近三十年来,随着空间技术的进步,空间科学迅速发展．空间飞行器在轨道自由飞行时,其间的微重力水平仅为地面的１０~－３～１０~－６量级,在地面重力作用下常见的浮力对流、静压不均匀和沉降等现象都极大地减弱．因此,有可能利用微重力条件得到在地面条件下难于得到的高质量生物制品和新材料．但是,在微重力环境中,许多在地面上的次级…     

热毛细对流的液桥几何位形及浮力效应

本文讨论重力对不同高度、直径比液桥的热毛细对流的影响。当液桥高度、直径比增大时,液桥中的等流函数线呈双涡结构,这种流动图样并不必然与热毛细振荡流相联系。在地面热毛细对流实验中模拟空间微重力情况,液桥高度需小于1.5mm。在微重力环境中,液桥内的流场和温度分布介于地面相同参数液桥的上部加热和下部加热两种结果之间。因此,可以用地面实验结果估计空间液桥的对流和热输运情况。     

半浮区液桥振荡对流的微重力实验

利用日本微重力中心８００ｍ落井装置，完成了半浮区液桥振荡对流的微重力实验，对振荡对流的典型物理量诸如内部温度、流场、自由面边缘变化及表面波进行了综合测量。实验结果给出了振荡对流由地球重力环境向微重力环境的过渡，以及不同几何参数半浮区液桥的振荡特征，并首次获得了微重力环境下热毛细对流的表面波位形及边缘振荡特征．     

微重力气液两相流动与池沸腾传热

综述了近年来中国科学院微重力重点实验室(国家微重力实验室)完成的一系列微重力气液两相流动与池沸腾传热方面的地基实验、飞行实验和理论研究等方面获得的主要成果.在微重力气液两相流动方面,提出了半理论Weber数模型用于预测微重力条件下气液两相弹-环状流转换,并采用Monte Carlo方法,针对气泡初始尺寸对泡-弹状流转换的影响进行数值研究.通过俄罗斯"和平号"空间站与IL-76失重飞机实验,获得了微重力下的气液两相流型图,与此同时在地面利用小尺度毛细管模型模拟了微重力气液两相流动特征.实验测量了微重力气液两相流压降,并基于微重力流动特性建立了一个泡状流压降关联模型.在微重力池沸腾传热方面,利用我国返回式卫星完成了两次空间实验,其中,第22颗返回式卫星搭载铂丝表面R113池沸腾实验采用控制温度的稳态加热方式,而实践8号育种卫星搭载平面FC-72池沸腾实验则采用控制加热电压的准稳态加热方式.同时,还进行了地面常重力和落塔短时微重力条件下的对比实验研究.观察到丝状加热表面微重力时轻微的传热强化现象,而平板加热表面微重力核态池沸腾低热流时传热强化、高热流时传热恶化.微重力实验中观察到气泡脱落前存在横向运动现象,据此分析了气泡行为与传热之间关系,并提出了一个预测丝状加热表面气泡脱落直径的半理论模型.旨在对相关领域的进一步发展和空间两相流系统的应用提供数据及理论支持.     

微重力燃烧研究进展

认识燃烧过程是安全、高效、洁净地利用能源的基础. 但是, 常重力条件下的浮力对流和重力沉降使得燃烧现象变得复杂. 而微重力条件下这些影响几乎消失, 这简化了对燃烧的研究. 在加深对地面燃烧过程和载人航天器火灾安全问题的认识的推动下, 经过近半个世纪特别是最近10多年的发展, 微重力燃烧研究已经涵盖了预混气体、气体扩散、液滴、颗粒和粉尘燃烧、燃料表面的火焰传播等燃烧学科的各个领域. 研究中实现了球对称液滴燃烧、不受沉降影响的粉尘燃烧、静止或低速对流环境中的燃烧, 观察到了火球、自熄灭火焰等现象,阐明了碳黑形成中的热泳力效应、可燃极限与火焰稳定性等机理. 加深了对燃烧现象,特别是对辐射效应的理解: 在预混气体、气体扩散、液滴等多种火焰中, 除了停留时间过短引起的吹熄极限外, 还存在辐射热损失过大引起的冷熄极限, 后者只能在微重力条件下观测到. 部分研究成果已经进入教材. 而火焰在微重力下不同于常重力下的现象, 对载人航天器火灾安全具有重要意义. 考虑到我国的现实情况和国内外的研究现状, 建议将煤炭颗粒和粉尘的燃烧、与碳黑相关的机理、辐射效应、化学动力学等作为我国微重力燃烧的主要研究方向.      

多液滴热毛细迁移的研究

通过密度匹配方法地面模拟微重力环境,以豆油和硅油作为实验系统母液和液滴,研究非均匀温度场中液滴热毛细迁移行为. 用马赫- 泽德干涉仪测量实验系统背景温度场. 用阴影法观测液滴热毛细迁移. 单液滴实验中,得到与YGB 理论预测趋势相一致的结果;双滴实验中,观察到小液滴超越大液滴现象;实验表明液滴迁移过程中液体的黏性系数起重要作用,小液滴超越大液滴过程中,两液滴水平位移都出现明显偏移,且大液滴横向位移更显著. 创新性的设计了三相多液滴热毛细迁移实验,为实际工业生产中多相分离问题提供科学研究基础.      

热毛细对流表面波空间实验研究

介绍了实践十号返回式科学实验卫星19项科学项目载荷之一:热毛细对流箱表面波空间实验研究,包括项目研究目标、意义、研究内容、空间实验模型及地面匹配实验结果等.阐述了本项目开展空间实验研究的必要性,用科学的地面实验研究数据预测和对比微重力条件下可能获得的研究结果,展望本项目可能取得的成果.     

DROPLET INTERACTIONS IN THERMOCAPILLARY MIGRATION

通过密度匹配方法地面模拟微重力环境,以豆油和硅油作为实验系统母液和液滴,研究非均匀温度场中液滴热毛细迁移行为. 用马赫- 泽德干涉仪测量实验系统背景温度场. 用阴影法观测液滴热毛细迁移. 单液滴实验中,得到与YGB 理论预测趋势相一致的结果;双滴实验中,观察到小液滴超越大液滴现象;实验表明液滴迁移过程中液体的黏性系数起重要作用,小液滴超越大液滴过程中,两液滴水平位移都出现明显偏移,且大液滴横向位移更显著. 创新性的设计了三相多液滴热毛细迁移实验,为实际工业生产中多相分离问题提供科学研究基础.     

激光驱动液滴迁移的机理研究

液滴热毛细迁移是微重力流体科学中的典型科学问题, 微重力液滴动力学研究不仅具有流体力学的理论意义, 而且具有重要的实际应用价值. 建立了二维轴对称激光驱动液滴迁移模型, 通过仿真计算研究微重力环境下激光驱动液滴迁移的过程, 研究了液滴直径、母液参数等对液滴迁移速度及行为的影响. 首先研究了母液和液滴对激光系数均较小, 液滴初始位置不同时液滴的迁移行为; 然后研究了母液对激光吸收系数较小, 液滴对激光吸收系数较大时, 不同液滴直径与母液宽度比条件下液滴的迁移行为. 仿真结果表明: 当母液和液滴对激光的吸收系数都很小时, 液滴迁移的方向主要受到液滴初始位置的影响; 当母液对激光的吸收系数较小, 液滴对激光的吸收系数较大时, 液滴会朝激光方向迁移, 液滴初始位置对迁移方向影响较小, 但液滴直径与母液宽度之比会影响液滴迁移行为. 将模拟结果与YGB理论对比, 仿真结果与理论结果趋势一致. 研究激光驱动液滴迁移的物理机制, 探索界面张力作用机理, 得到激光驱动液滴迁移的规律, 探索对液滴的驱动控制方法.      

交变电场作用下单液滴蒸发的分子动力学模拟

利用分子动力学方法研究了正弦形式的交变电场对三维悬浮水滴在超临界氮气环境下蒸发特性的影响,主要考虑了电场幅值和频率对液滴蒸发寿命和液滴瞬时蒸发速率的影响.其中水滴由8000个水分子组成,环境气体由27000个氮气分子组成.首先利用分子动力学方法模拟计算了不同状态下水的物性参数以及亚临界条件下匀强电场对液滴蒸发特性的影响...