蒸气在铜表面冷凝的可视化实验

通过建立蒸气冷凝过程的可视化实验装置,在地面重力条件下对蒸气在铜表面的冷凝情况进行实验.采用高速摄像仪对蒸气在铜表面上发生的冷凝过程进行观测,并对比分析了H₂O,R141b以及FC-72蒸气的冷凝情况.研究发现水蒸气在冷凝过程中一些大液滴在合并周围小液滴后会发生回弹现象,从而清理掉周边区域的小液滴.随着冷凝的进行,被清理掉小液滴的区域又会重新生成小液滴.这种回弹现象相当于延长了滴状冷凝的时间,从而起到强化冷凝换热效果.R141b及FC-72在光滑铜表面上均未发生滴状冷凝.在加大过冷度后,冷凝器内残留的空气还会在冷凝液膜上冷凝成小水滴,产生滴膜共存现象.水蒸气在铜表面冷凝过程中,滴状冷凝转换成膜状冷凝后热流量降低约20%,因此需要对铜表面进行改性处理,降低其表面能,从而强化冷凝换热.      

FC72-氮气混合气体流动冷凝效率研究

混合气体（可凝蒸气与不可凝气体）相对于纯可凝蒸气,其流动冷凝过程更为复杂,冷凝效率受不可凝气体的浓度及冷凝温度影响.为对空间任务蒸发冷凝实验平台排放的废气FC72进行清理回收,针对所研制的FC72气液分离与收集器,在地面环境下对不同浓度的混合气体在不同冷凝温度下进行了流动冷凝效率实验.结果表明,对于FC72与氮气的混合气体,当冷凝器温度一定时,随着FC72浓度的增加,该气液分离与收集器的冷凝效率提高.在冷凝器温度约为-10℃,FC72浓度高于70%时,流动冷凝效率达到80%以上;当冷凝器温度降低至约-13℃,FC72浓度高于30%时,流动冷凝效率达到70%以上;当冷凝器温度降至约-15℃,FC72浓度高于20%时,流动冷凝速率均达到60%以上.      

小管径冷凝管的数学模型

基于环状流流型建立了小管径冷凝管的数学模型.模型考虑了气液界面表面张力的作用,在同一横截面上气相与液相存在压力差.对两相压降的计算,考虑了气液两相间的相互作用,包括摩擦切应力和动量转移切应力.应用该模型,可考察气相与液相压降、液膜厚度、气相与液相平均速度、气液界面切应力以及管内壁换热系数等的沿程变化情况.根据模拟结果可得:两相压降沿管长呈近似线性增加;气相平均速度沿管长先增大后逐渐减小,但变化范围很小,且远大于液相平均速度;动量转移切应力随液膜厚度增加而增大,同摩擦切应力相比不可忽略;管内壁对流换热系数随液膜厚度增加而减小,由于冷凝管的管径很小,即使蒸气冷凝趋于完毕,气液界面接近冷凝管中心线,换热系数仍较大.     

重力对R134a在矩形小通道内冷凝过程的影响

为研究重力对小通道冷凝过程的影响,采用VOF模型对制冷剂R134a在水平放置的边长1mm方形截面小通道内的冷凝换热过程进行数值模拟.模拟过程考虑重力、表面张力和界面剪切力的综合作用,表面张力采用CSF模型.结果表明:重力对矩形小通道冷凝换热的影响不明显,蒸气在通道横截面上呈近似圆形分布;通道较短时重力对液膜的汇聚作用不明显,达到一定长度后重力作用凸显.研究结果为天舟一号货运飞船搭载的蒸发与冷凝科学实验研究项目冷凝空间实验方案设计提供了理论依据.      

空间与地面炉内压力和加热功率对炉内温场的影响

天宫二号空间综合材料实验装置的炉内压力和加热功率均影响炉内温场.针对空间与地面对比实验,分析了炉内压力和温场相同时炉丝加热功率的变化,以及炉内温场和炉丝加热功率相同时炉内压力的变化.地面实验时,炉内气体被炉丝加热后,由于重力作用产生对流,从而影响炉膛温度.炉内压力为1atm时,空间与地面实验的加热功率比约为97.5%.空间实验时,由于对流效应减弱,炉内压力变化对其最高温度影响减小.空间与地面的对比实验结果表明,地面炉内压力为空间炉内压力（1atm）的50%时,空间与地面实验的加热功率和温场等参数接近一致.这对于空间高温材料实验装置设计具有重要指导和参考意义.      

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.      

SJ-10卫星固体材料燃烧实验装置

为对微重力条件下固体材料着火和火焰传播特性进行研究,研制了实践十号（SJ-10）卫星固体材料燃烧实验装置.利用空间高真空条件,采用实验段内气体环境更新和控制技术,实现了在有限实验空间内对多个实验样品进行研究,并提供准确可控的实验环境条件（氧气浓度和气流速度）.通过地面试验验证,该装置可通过实验样品、氧气浓度、气流速度、点火方式等实验参数的灵活组合,实现空间实验机会的充分利用和预定科学目标.      

微重力下三角形微通道内冷凝换热分析

采用VOF模型和自定义函数的方法对三角形微通道内冷凝换热特性进行了数值模拟研究.为验证模型的合理性,将计算得到的传热系数与文献中经验关联式的结果进行对比.分析了重力和表面张力对气液界面分布和传热性能的影响.结果表明,重力对微通道内气液界面分布和截面平均传热系数的影响很小.表面张力在非圆形微通道内的冷凝过程中发挥主导作用.在表面张力作用下,更多的冷凝液流向尖角,使壁面附近液膜厚度变薄,传热阻力减小,传热系数增强.      

实践十号卫星蒸发对流箱地面科学实验结果分析

实践十号卫星蒸发对流实验旨在研究置于加热底板的蒸发液滴在相变过程中,表面蒸发与表面张力驱动对流的耦合机理及其不稳定性.为与空间实验结果进行对比,利用蒸发对流箱完成在轨工况的科学匹配实验,获得相应工况的地面科学数据、工程参数及实验图像.通过对地面科学匹配实验结果进行分析,得到不同工况下液滴形貌（体积、表面积、接触角、液滴高度、液滴直径）变化规律,以及液滴蒸发过程中温度、热流量、蒸发速率和蒸发流量的变化规律.依据实验结果分析研究了具有质量交换的复杂流体相变界面的热质传输规律.      

航天器介质放电脉冲频谱特征实验研究

空间电子辐射环境下,航天器介质的充放电效应是威胁航天器安全的重要因素.介质放电现象除与材料参数及构型相关外,还与空间电子环境密切相关.本文通过电子枪和Sr90放射源在地面实验装置上模拟空间电子辐照环境,测试了环氧树脂、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等常见空间材料在不同温度、不同电子能量和电子束流强度影响下的放电脉冲,并对放电电流脉冲和电场脉冲进行频谱分析.实验分析结果表明,介质材料的放电电流脉冲频谱具有明显的单峰结构,该峰值与材料厚度和入射电子能量相关,但受材料温度和辐照束流强度影响不大.      

中型空间环境模拟器真空系统的设计与模拟

探讨了用于舱外航天服性能实验的中型空间环境模拟器真空系统的设计和模拟。通过对低温泵的真空度及其抽速与液氦低温板温度的关系进行模拟,验证了真空系统设计的合理性。对中型环境模拟系统预冷采用开放式液氮以简化系统结构;对系统的主要部件液氦低温板和辐射挡板进行了构造分析和热负荷计算;分析了液氦低温板的凝结层对低温泵性能的影响。通过对液氦低温板温度场进行模拟及分析,对液氦低温冷凝面进行了优化设计与性能验证。通过对航天员氧消耗量的分析合理估算了航天员自身代谢产热,据此确定了中型空间环境模拟系统热负荷及液氦供应量。     

实践十号卫星有效载荷胶体材料箱地基实验

胶体材料箱是装载于实践十号上的重要载荷,用于空间胶体自组装的实验研究.地基实验阐明了常重力下的蒸发驱动胶体自组装机制.围绕胶体材料箱开展地基实验研究,制备了一种亲/疏水限位基片,分析了蒸发过程中受限液滴接触角的变化规律.通过同步显微观察法研究受限胶体液滴内部粒子的沉积行为,发现粒子沉积图案的形成过程由三种动力学行为控制.另外,通过落塔装置模拟短时微重力环境,分析重力瞬变引起限位基片上液滴的振荡过程,揭示了振荡过程中两个不同阶段的振荡特性.地基实验结果为在轨实验工况确定以及空间与地面实验对比提供了数据支撑,这对箱体工程参数设定以及空间实验条件匹配等具有重要意义.      

液氮温区平板蒸发器环路热管实验研究

深低温环路热管是一种高效的深低温两相传热器件,未来可广泛应用于红外探测等空间项目的低温热控系统。为有效减小热管与热负荷间的接触热阻及热管的背向漏热,采用氧化锆作为毛细芯材料,研发了氮工质平板蒸发器环路热管,重点研究了热管的自启动特性、传热性能以及在间歇性热负荷下的运行情况。结果表明:在无辅助情况下,液氮温区平板蒸发器环路热管自启动性能良好,可依靠工质扩散从室温迅速降温至液氮温区。环路热管能够在70~100 K温区稳定运行,热阻随运行温度和热负荷的上升而减小,最大传热功率为15 W,最小热阻为0.8 K/W。在蒸发器间歇性加热的情况下,环路热管可以保持温度稳定,热响应迅速,无需二次降温。液氮温区平板蒸发器环路热管有效满足了空间低温光学系统的热控制系统的热传输需求。      

液体姿控发动机76km高空模拟试验系统性能仿真

为研究液体姿控发动机76 km高空模拟试验系统的工作性能,建立了考虑燃气相变的试验系统集中参数动态仿真模型。模型由真空抽气系统、冷凝管束和液氮外流程3个子模型组成。根据燃气、霜、液氮之间的传热和传质过程将各子模型耦合在一起。以四氧化二氮/甲基肼双组元姿控发动机为实例,计算了稳态和脉冲点火试验时系统的工作参数,分析了关键设计参数对其工作性能的影响。结果表明:试验系统能够为最大流量6.4 g/s(推力约16.5 N)的发动机提供脉冲和6×10~4s长程稳态试验环境;在长程稳态试验中,冷凝管束霜层将依次饱和,失去对二氧化碳和水蒸汽的抽吸能力,导致真空舱压力逐渐升高;在脉冲点火试验中,真空舱压力将随发动机工作而脉冲波动,15 ms开关脉冲时的压力波动幅度约70%。研究结果为液体姿控发动机高空模拟试验系统的设计与改进提供了参考。     

环路热管地面实验平台的热设计

文章旨在建立环路热管的地面实验平台,模拟环路热管在太空轨道运行的热环境。首先建立了地面实验舱的物理模型,对其如何实现在地面模拟太空中该环路热管的热环境进行了热分析计算,其次确定了满足环路热管轨道运行最冷工况和最热工况下的实验舱的壁面温度,最后对实现该轨道环境所需要的壁面绝热材料、制冷剂、制冷设备进行了选择,初步完成了实验平台的热设计。计算结果表明,在同时考虑舱内对流和辐射换热的条件下,要实现空间热边界条件,实验舱内舱的壁温要保证在-62.1~-10.9℃之间变化。