微重力池沸腾中的气泡行为实验研究

采用图像分析方法,对实践十号返回式科学实验卫星沸腾气泡实验项目获得的微重力单气泡过冷沸腾实验图像进行研究,提取并分析了微重力条件下单个气泡的生长过程.实验中观察到气泡激发形成、稳定黏附生长和滑移三个阶段,其中气泡稳定黏附生长又可分为底部扩张与回退两个子阶段.在气泡稳定黏附生长的底部扩张子阶段,气泡半径可以表示为时间的指数函数,时间指数从初期小气泡时的0.42减小到中期的0.28,最终趋于0.气泡尺寸在气泡底部收缩之初略有回调,随后再次缓慢增大,直到过冷液体完全侵入气泡底部,使气泡与加热面脱离,并在外界扰动作用下在加热面上滑移.相关数据可以作为沸腾现象中气泡热动力学分析的依据.      

基于一维模型的高频电波加热电离层F层数值研究

基于电离层一维仿真加热模型,详细介绍了模型中电子的动量方程、连续性方程、能量方程和各类参量表达式,利用对角矩阵追赶法数值求解电离层F层加热过程,分析了不同时次电子数密度和电子温度的变化,讨论了不同频率和不同功率电波加热的情形.结果表明:当高频电波加热高电离层时,电子温度迅速增加,并很快趋近于饱和状态;电子密度的变化较为迟缓,但在加热过程中其变化幅度却越来越大;电子密度变化量在沿磁场方向上形成空洞和上下稠团两峰一谷构型;频率越大、功率越高的电波加热时,电子密度的变化也越大,但存在一适值频率的电波对电子温度的影响最小.      

不同重力条件下单气泡池沸腾现象的数值研究

对不同重力条件下常压饱和水中单气泡池沸腾现象的气泡生长过程及传热特性进行了数值模拟. 采用简化的润滑流模型计算生长气泡底部微液膜的贡献, 而其他宏观区域的气液两相介质则用连续界面模型统一处理. 气液界面形状和加热面上接触线的运动分别采用Level Set方法和固定的表观接触角来近似刻画. 计算结果表明, 气泡生长过程中, 当量直径近似与生长时间的1/3～1/2次方成正比, 重力对相关趋势的影响不大, 但强烈影响着气泡脱落直径和生长时间, 其中脱落直径反比于重力的1/3次方, 生长时间反比于重力的4/5次方. 在固定的核化点数密度条件下, 加热面平均热流密度近似与壁面过热度的3/2次方成正比, 该趋势并不随重力的减弱而改变.      

孤立气泡生长过程的短时微重力落塔实验研究

利用中国科学院国家微重力实验室北京落塔提供的3.6s微重力时间开展了短时微重力条件下的池沸腾实验研究, 分析了微重力条件下孤立的单个气泡生长过程特征. 实验中采用掺杂磷的N型光滑硅片作为加热面(加热片尺寸10mm×10mm×0.5mm), 以含气率0.0046 (气液摩尔分数比)的FC-72作为工质, 利用恒流源对加热片通电加热. 通过对实验观测到的单个气泡生长图像及相应传热数据分析可知, 经典传热机制控制的气泡生长模型可以描述其早期特征. 相关模型中经验参数的拟合结果在文献报道的数值范围内, 表明重力对气泡生长早期影响较小, 但较大的气泡尺寸可以提供更准确的数值结果.      

微重力池沸腾传热研究

对利用中国返回式卫星搭载开展的两次微重力池沸腾空间实验及地基常重力和落塔短时微重力实验的结果进行了评述. 研究发现微重力时丝状加热器沸腾传热会略有强化, 而平板加热器则在高热流条件下明显恶化. 微重力时, 气泡脱落前存在沿加热面的横向运动, 加剧了相邻气泡间的合并, 合并气泡会在其表面振荡作用下从加热面脱落. Marangoni 效应对于微重力气泡行为有重要影响.      

变截面毛细通道中气泡的运动特性分析

为了确定复合材料成型过程中气泡的运动条件,利用变截面毛细模拟通道实验系统,研究了气泡在变截面毛细管中的运动行为,分析了气泡长度、毛细管半径及液体种类对气泡垂直穿出行为的影响,并从理论角度推导出气泡穿出的临界压力方程.研究结果表明,气泡垂直穿出变截面毛细通道所需要的临界压力差,随气泡长度和毛细管半径的增大而减小,液体种类对其也有明显影响,实验结果与理论计算值基本吻合.该研究结果将为复合材料成型中工艺参数的优化提供实验依据.      

不同上边界条件下的极区电离层数值模拟

利用一维自洽的极区电离层模型,研究了沿磁力线方向不同电离层-磁层耦合条件下极区电离层的响应.此模型在110-610km的电离层空间区域内,综合求解描述极区电离层的连续性方程、动量方程和能量方程,以得到电离层数值解.研究发现,上边界条件在200 km以上的高度能显著地影响电离层参量的形态.较高的O+上行速度对应较低的F层峰值和较高的电子温度.不同边界O+上行速度对应的温度高度剖面完全不同.200km以上电子温度高度剖面不但由来自磁层的热流通量所控制,同时还受到场向O+速度的影响.对利用电离层模型研究电离层内部物理过程提出了建议.      

重力对单气泡生长特性的影响

采用VOF (Volume of Fluid)多相流模型, 通过用户自定义函数UDF (User Defined Function)实现相变过程中质量和能量的输运, 对微重力条件下尺寸为10mm × 10mm × 25mm的矩形通道的池沸腾现象进行数值模拟, 得到了微重力及常重力作用下单个气泡生长特性的差异. 模拟结果表明, 微重力条件下气泡周围的流线与温度场的分布有显著差异; 由于表面张力作用, 微重力下的气泡脱离特性与常重力下不同; 在微重力条件下, 气泡直径的变化比较复杂, 并与重力加速度的大小有关; Marangoni流对微重力下的流动影响很大, 使换热系数波动, 而且波动的幅度随重力加速度的减小而增大.      

大功率无线电波对高电离层的加热

根据动量方程、能量方程和电子的连续性方程，在偶极扩散的假设下，建立了地面入射的大功率无线电波加热高电离层的理论模型．作为应用，对以上方程组数值求解，计算了高电离层(150-400km)电子温度和电子密度随时间的变化．计算结果表明，对于一定参数的发射机，一定的吸收模型，电离层电子温度和密度均有明显的变化．我们发现，应用本文选取的加热参数，在电波反射点附近，电子温度有10％-25％的增加，电子密度有1％-2％左右的减少．电子温度达到稳态的时间要快于电子密度达到稳态的时间．最后，用本文的结果解释了电离层加热实验中的一些观测现象。     

背景条件对低电离层预加热幅度调制的影响

基于电离层连续性方程和能量方程,建立了预加热模式下低电离层幅度调制加热理论模型,研究预加热阶段电离层电子密度和调制阶段电流随预加热时间的变化,探讨不同背景条件对幅度调制产生的极低频/甚低频（ELF/VLF）电磁波强度的影响.结果表明,预加热调制在90~100km高度效果较好,在夜间进行预加热调制激发的ELF/VLF强度增幅不明显,各季节中在春季调制强度增幅最大,太阳高年预加热调制比太阳低年的效果好,低纬地区强度增幅远大于中纬地区强度增幅.在一定加热条件下（有效辐射功率200MW,频率1kHz）,不同背景条件（除夜间外）下的预加热幅度调制模式在考虑能耗情况下,均在预加热10s时效果最好.      

微重力下加热面尺寸对气泡动力学行为的影响

为揭示微重力环境下加热表面尺寸对气泡动力学行为的影响，通过对比实验研究了不同热流密度条件下两种尺寸芯片表面核态沸腾过程中气泡的动力学行为.结果表明，低热流密度时两种尺寸芯片表面均能维持典型的孤立气泡沸腾，气泡生长合并过程缓慢，仅大芯片表面气泡脱落，并且体积达到小芯片气泡的3.4倍.两芯片在中等热流密度下均呈稳定的核态沸腾，气泡生长合并加速、脱离频率升高.大芯片表面气泡脱离次数明显高于小芯片，脱离气泡产生的尾流效应减小了后续气泡的脱离直径，进而有效抑制了气泡底部干斑的形成.高热流密度时，小芯片处于膜态沸腾状态，沸腾换热显著恶化；而大芯片表面仍能维较持稳定的核态沸腾.因此，增大芯片尺寸能有效促进气泡脱离，提高临界热流密度.继续升高大芯片热流至临界热流密度之上，虽然进入膜态沸腾换热状态，但是气泡无法完全覆盖芯片表面且可缓慢滑移，从而缓和了芯片温度上升速率.      

基于流动沸腾气泡脱落行为的重力无关性分析

在流动沸腾现象中，气液两相密度差异导致重力对流动和传热性能产生很大影响，因此重力效应研究对于流动沸腾的航天应用具有重要意义.在对Bower-Klausner-Sathyanarayan重力无关准则（BKS准则）分析的基础上，提出其判据存在理论缺陷，不能正确反映重力效应.采用与BKS准则相同的气泡脱落模型，但忽略气泡沿加热管壁的滑动效应，重新计算常重力条件下不同流动方向起始沸腾阶段单气泡的脱落尺寸，归纳得到一个新的基于Fr（Froude数）的重力无关准则.该准则与实验结果符合更好，且与主导作用力准则基本相符.      

天舟一号货运飞船空间实验装置蒸发相变地面实验

以天舟一号货运飞船为依托,开展空间蒸发相变传热规律的科学实验研究,探索重力对蒸发传热传质过程的影响规律.设计了一套地面蒸发实验平台,以蒸发相变液体FC-72为研究对象,通过红外热像仪测温、热流量计、差分热电偶等手段,观测FC-72液层在不同台面温度、注液量等情况下的相变界面变化、蒸发表面特性、流体物性及Marangoni对流涡胞的变化等,获取其蒸发两相流体的液层温度差、表面温度场、热流量值、蒸发速率和涡胞结构等.实验结果表明:在其他条件不变的情况下,FC-72液层与蒸发台面的温差越高,其蒸发速率越快;注液量越大,蒸发速率也越大;在蒸发过程中出现了浮力对流涡胞和Marangoni对流涡胞.此外,通过地面蒸发实验可以确定空间科学实验选用的实验介质和材料,进而优化确定空间科学实验的工况、参数及流程等,部分地面实验结果也将直接成为天地对比实验的科学成果.      

池沸腾现象中热毛细对流的成因

针对微重力条件下单组份液体池沸腾现象,探讨了有关热毛细效应作用及其成因的不同观点,指出正确描述气液相变界面两侧的温度关系是解决争议的关键.详细评述了现有的气液相变界面温度模型,发现气液相变的非平衡特征会导致气液界面上产生温度梯度,引起表面张力的显著差异,从而驱动热毛细对流的形成.但现有气液相变界面温度模型机理差异迥然,预测结果也差别很大,因此,需要更深入研究.      

用一维恒温相变界面模型研究毛细芯蒸发器温度场

对ＣＰＬ毛细芯蒸发器提出了一维恒温相交界面模型：蒸发器壁、液体、蒸汽分别在横截面上的温度相同，即温度只有沿轴向才有变化；蒸发器壁、蒸汽分别和液体之间存在温度为饱和温度的汽液交界面，蒸发器壁、液体、蒸汽通过该交界面进行换热。根据此模型，应用带有特殊内热源项的一维能量守恒方程求解了温度场。在计算中估计并推荐了几个换热系数，给出边界条件后可得到蒸发器内温度场的数值解。蒸发器壁温的计算值与实验结果符合较好。     

过冷核态池沸腾中的Marangoni效应

分析了过冷核态池沸腾过程中气泡横向运动现象,指出其成因在于相邻气泡界面温度差引起的Mara-ngoni对流对周围液体的吸引.通过对该流动的尺度分析,得到了气泡横向运动特征速度及其可观测度的估算公式,其预测结果与实验观测相一致.特别是对极细小的初始核化气泡,该公式预测了强烈的横向Marangoni对流会导致气泡顶端微射流的形成.该效应在加热面水平向下或微重力沸腾等气泡脱落频率较低的情形中尤为重要.      

微重力量值对气液两相流相分布及液相湍流统计量影响的数值研究

气液两相流在空间领域具有广阔的应用前景, 深入理解微重力量值(微重力大小)对相分布和液相湍流的影响十分必要. 采用欧拉elax-elax拉格朗日双向耦合模型深入研究了不同微重力量值对相分布和液相湍流的影响. 液相速度场通过直接数值模拟求解, 气泡的运动轨迹由牛顿运动方程跟踪. 研究表明, 气泡分布和液相湍流与微重力量值均具有直接联系. 在低微重力量值下, 气泡近似均匀分布在槽道内, 且对液相湍流统计量几乎没有影响; 然而当微重力量值较高时, 大量气泡聚集在壁面附近, 液相湍流由于气泡的注入受到极大调制.